无源光网络技术 主讲人 王 凯

课程介绍 无源光网络技术是宽带接入的主流技术之一，尤其以FTTH的应用尤为突出，在国内外得到 了规模化的应用。 本课程将全面系统地介绍各种无源光网络技术，其中主要内容包括宽带接入技术的 基本概念、功能和相关特点。在此基础上比较性地介绍各种宽带接入技术。课程将在第二章 开始系统地介绍无源光网络的基础知识和无源光网络的各种多址接入技术；TDM/TDMA PON的 支撑技术；基于 ATM的无源光网络APON技术以及基于千兆以太网的无源光网络EPON技术和吉 比特无源光网络GPON技术。课程最后将结合各种无源光网络技术的应用方式对PON与ADSL、 FTTB+LAN、点到点光以太网接入等有线宽带接入技术进行对比分析。 初级课程的详细信息和/或课目/项目所需的书籍/资料。

课程安排 主讲顺序 主讲内容 阅读内容 第一讲 宽带接入技术概述 第一章 第二讲 无源光网络的基础知识 第二章 第三讲 TDM/TDMA宽带无源光网络的关键技术 第三章 第四讲 基于ATM的宽带无源光网络 第四章 第五讲 基于以太网的宽带无源光网络 第五章 第六讲 GPON 第六章 第七讲 宽带无源光网络的应用 第七章 有关可选的时间/目标阶段的日程设计。

第一章 宽带接入技术概述 教学内容 1.1 接入技术含义及实现宽带接入的意义 1.2 接入网概述 1.3 xDSL宽带接入技术分析 第一章 宽带接入技术概述 教学内容 1.1 接入技术含义及实现宽带接入的意义 1.2 接入网概述 1.3 xDSL宽带接入技术分析 1.4 “FTTB＋ LAN”以太网宽带接入技术 1.5 “HFC＋ Cable Modem”宽带接入技术 1.6 电力线载波宽带接入技术 1.7 光纤宽带接入技术 1.8 无线宽带接入技术

第一章 宽带接入技术概述 1.1 接入技术含义及实现宽带接入的意义 接入技术的含义 第一章 宽带接入技术概述 1.1 接入技术含义及实现宽带接入的意义 介绍性注释。 接入技术的含义 接入技术顾名思义所要解决的问题就是如何将用户连接到我 们所提供的网络上，从而使用户能够共享网络提供的各种资源， 作为网络中与用户相连的最后一段线路上所采用的技术我们称 之为接入技术。 宽带接入的意义 实现宽带接入，就是要通过相关的技术实现为用户提供更高 的接入速率；提供更多的应用业务模式和更高的业务质量。 实现宽带接入的基础网络 接入网

1.2 接入网概述 1.2.1传统电信网中的接入网 接入网位置划分 1.2 接入网概述 1.2.1传统电信网中的接入网 接入网位置划分 如果仅从电话和网络业务的角度考虑，传统电信网络可以用两大部分来划分，那 就是公用电信网和用户驻地网，其中公用电信网包括长途网，中继网和接入网。从 其重要性和结构上考虑，人们又将长途和中继网合称为核心网，因此从网络结构上 可以将电信网由图1.1表示出来。图中的CPN代表用户驻地网，UNI和SNI分别表示用 户网络接口和业务节点接口。 课程的目标和预期结果，和/或通过学习培养的技能。 核心网 CPN UNI 接入网 SNI SNI 接入网 UNI CPN 图1.1 传统电信网的组成示意图 接入网定义 ITU-T在1995年7月通过G.902建议对接入网给出了明确的定义：接入网 是由业务节点接口（SNI）和相关用户网络接口（UNI）之间的一系列传送 实体组成，为传送电信业务而提供所需传送承载能力的实施系统，可经由 Q3接口进行配置和管理。

根据ITU-T通过G.902对接入网的定义，可以将接入网通过其接口加以界定，如图1.2所示。 1） 接入网的接口 根据ITU-T通过G.902对接入网的定义，可以将接入网通过其接口加以界定，如图1.2所示。 相关词汇表。 电信管理网（TMN） UNI Q3 Q3 SNI 接入网 业务节点（SN） 图1.2 接入网的界定 ●接口描述 （1）用户网络接口UNI UNI面向用户，支持多种业务接入，如POTS接口，ISDN BRI/PRI、E1等接口形式。 （2）业务节点接口SNI SNI用来为不同用户业务提供相应的业务节点接口，使其能与业务节点连接，提供窄带ISDN的V5接口和宽带ISDN业务的VB5接口等内容

（3）管理接口Q3 为了实现对接入网的管理，需要接入网与电信管理网（TMN）相连接，这个连接就由Q3接口提供。 2） 接入网的通用协议参考模型及各层功能 ITU-T为了实现接入网的统一标准，通过G.803定义了接入网功能结构的分层模型，图1.3示意了接入网中通用协议分层模型及其各层的相互关系。 过程和步骤的列表，或者带有媒体的演讲幻灯片。 接入承载能力要求 系统管理 接入承载处理功能（AF） 层管理 电路层（CL） 通道层（TP） 传输媒质层（TM） 图1.3 接入网通用协议参考模型

通道层负责实现涉及本层接入点之间的信息传递，它可以支持一个或者多个电路层的网络，为其提供相关的传送服务，通道的建立可以由交叉连接设备来实现。 ●各个层次的功能 （1）电路层（CL） 电路层是独立于传输通道层（TP）的，其网络直接面向公用交换业务，为用户直接提供相关的通信业务， 电路层网络负责为电路层接入点之间提供信息的传递。 （2）通道层（TP） 通道层负责实现涉及本层接入点之间的信息传递，它可以支持一个或者多个电路层的网络，为其提供相关的传送服务，通道的建立可以由交叉连接设备来实现。 （3）传输媒质层（TM） 传输媒质层直接涉及物理连接，它与传输媒质 （从网络的角度讲主要是光缆）有关，可以支持一个或者多个通道层的网络，如果细致划分TM层还可以分为段层和物理层。 示例图形/图表。 3）接入网的功能结构 接入网为了实现对用户的服务而提供了多种功能，按其功能划分可以分成5个基本功能组：用户端口功能（User Port Function，UPF）、业务端口功能（Service Port Function,SPF）、核心功能（Core Function，CF）、传送功能（Transport Function TF）和系统管理功能（System Mannagement Function，SMF）。为了更好地理解其功能，我们可以通过图示的方式加以说明，如果1.4所示。

用户端口功能主要是将特定的UNI要求适配到核心功能和系统管理功能。接入网支持不同的接入以及需要特定功能的用户网络接口。 Q3 接入网系统管理功能（SNF） 示例图形/图表。 用户 端口 功能 (UPF) 核心 功能 （CF） 传送 功能 （TF） 核心 功能 （CF） UNI 业务 端口 功能 （SPF） SNI 用户承载和用户信令信息 控制和管理 图1.4 接入网的功能结构图 ●功能说明 （1）用户端口功能 用户端口功能主要是将特定的UNI要求适配到核心功能和系统管理功能。接入网支持不同的接入以及需要特定功能的用户网络接口。

业务端口功能的基本功能就是对特定SNI规定的要求适配到公共承载体，以便于在核心功能中处理，并选择相关的信息用于接入网的管理系统功能处理 （2）业务端口功能 业务端口功能的基本功能就是对特定SNI规定的要求适配到公共承载体，以便于在核心功能中处理，并选择相关的信息用于接入网的管理系统功能处理 （3）核心功能 核心功能位于用户端口功能和业务端口功能之间，将用户端口承载体要求或者业务端口承载体要求适配到公共承载体。其中包括根据所要求的协议适配和用于在接入网内传送的复用要求进行协议承载处理。核心功能是贯穿于整个接入网中的核心内容，这一点可以从上面的图示中看出。 （4）传送功能 传送功能是在接入网中不同位置之间提供传送通道的功能，并对所用的相关传输媒质进行媒质适配。 （5）接入网系统管理功能 系统管理顾名思义，它是为了实现接入网的有序工作过程，通过系统管理来协调接入网中用户端口功能、业务端口功能、核心功能和传送功能之间的支配、操作和管理。同时这一功能还负责协调用户终端经UNI和SNI的功能操作。 课程、演讲等的总结。

为了满足用户的多样化的需求，接入网需要能支持大量不同的接入类型, 目前大家熟知的主要接入类型有: ●PSTN 和ISDN 窄带接入 4）接入网支持的接入类型 　　为了满足用户的多样化的需求，接入网需要能支持大量不同的接入类型, 目前大家熟知的主要接入类型有: 　　●PSTN 和ISDN 窄带接入 　　●B-ISDN 宽带接入 　　●租用线接入 　　●其他专用或还未定义的接入 　　通过上述分析我们已经能够比较概括地了解了关于接入网的基本内容，包括概念定义及其功能管理等。但是前面所讲的关于接入网的内容都是基于传统电信界关于接入网的定义、参考模型以及功能要求的规范，而且都是建立在当时(20 世纪90 年代) 电信业务以电话业务为主时的基础之上，最为关键的是当时只是预计未来网络发展将以基于ATM 的B-ISDN支持宽带业务为最终发展！。但实际发展情况是B-ISDN 并没有按预期那样发展起来而基于以太网的Internet 业务指数增长, 电信网的主流业务不再仅仅是电话业务(电话业务在整个通信网中所占比例越来越小) , 整体电信网或者说通信网发生了明显变化, 其中的接入网也在发生巨大的演变，甚至可以说无论从深度和广度，接入网的发展都成为当今网络发展实现用户的基础，只有接入网与核心网同步的发展，才能真正地实现网络发展的未来。为了更好的在后续课程中理解接入网，下面我们将系统地阐述接入网的演变。 1.2.2 接入网的演变 从中国通信业务大发展的过程我们就可以体会到，随着通信发展和用户需求的级数式增长，2000年前后Internet 业务得到了爆炸式发展, 为此IP 业务量急剧增长。由于提供IP 业务与提供传统的以电话业务为代表的电信业务有很大的不同。 提问和讨论的机会。

因此ITU-T SG13 定义了IP 接入网, 描述IP接入网的Y. 1231 标准于2000 年11 月得到通过。下面我们将针对Y 因此ITU-T SG13 定义了IP 接入网, 描述IP接入网的Y .1231 标准于2000 年11 月得到通过。下面我们将针对Y .1231 所定义的IP 接入网及其与前述接入传统电信业务的传统电信接入网(由ITU-T G .902 所规范) 的区别加以系统地描述。 　根据Y .1231 建议, IP 接入网是指“ IP 用户和IP 业务提供者( ISP, IP ServiceProvider )之间提供接入IP 业务能力的网络”。IP 网是IP 作为第三层协议的网络。IP 网络业务是通过用户与业务提供者之间的接口, 以IP 包传送数据的一种服务。IP 网络的结构如图1.5所示。 TE TE TE IP核心网 TE IP接入网 IP接入网 PC PC RP RP RP RP TEL TEL CPN CPN RP:参考点 TE:终端设备 图1.5 ITU-T Y.1231定义的IP网络结构 TEL:电话 CPN:用户驻地网

从上图可以看出, 用来实现IP 接入网与用户驻地网和IP 核心网之间的接口是图中显示的参考点(ReferencePoint , RP) , 这里的RP 用来实现在逻辑上分离IP 核心网和IP 接入网功能, 这样就与开始阐述的传统电信接入网的用户网络接口( UNI) 和业务节点接口( SNI) 有所不同, 因为RP 在某些IP 网络中不与物理接口对应，甚至在某些IP 网中无法界定IP 核心网与IP 接入网, 两者不可分割。为了更好的说明这一点，我们可以通过IP 接入网的参考模型来加以明确分析，由ITU-T Y.1231所定义的参考模型如图1.6所示。 RP 管理接口 IP接入网网管 IP接入功能 IP业务提供商 C P N IP业务提供商 接入网传送功能 IP业务提供商 RP RP IP接入网 IP核心网 图1.6 ITU-T Y.1231所定义的参考模型

●功能描述 ＊接入网传送功能与 G.902所定义的传送功能相同,也就是在接入网中不同位置之间提供传送通道的功能，并对所用的相关传输媒质进行媒质适配。 ＊IP接入功能可以包括： ◎多业务提供商的动态选择 ◎使用PPP 协议的IP 地址动态分配、网络地址翻译( NAT) 　　 ◎鉴权 　　 ◎加密 　　 ◎计费和与RADIUS 服务器的交互 　 对于图中的接入网系统管理功能ITU-U Y .1231 建议没有做出解释。 　　 ＊IP 接入网功能独立于其传送功能, IP 接入网的传输技术可以是各种各样的, 以下列出常见的几种: 　　 ◎ISDN，其中包括基本速率接入和基群速率接入( 1 544 kbps , 2 048 kbps ) 　　 ◎B-ISDN 接入(1 544～622 080 kbps ) 　　 ◎xDSL接入 　　 ◎无线和卫星 　　 ◎PON、SDV、HFC 和其他光传输技术接入 　　 ◎CATV 接入 　　 ◎LAN/ WAN接入 上述所列的接入技术我们在下一节中还会针对几种常用的接入技术加以详细的阐述。但从接入方式上来讲，IP接入方式基本上可以分为5类:

＊直接接入方式。 直接接入方式这里泛泛地是指对为用户提供独享的上网接入方式 ＊PPP隧道接入方式（L2TP）。 L2TP是一种隧道协议，又称为第二层隧道协议。它扩展PPP以支持进行请求的L2TP 客户机和目标 L2TP 服务器端点之间的链接层隧道。通过使用 L2TP隧道，有可能将拨号协议结束的位置和提供网络访问权的位置分离开来。隧道可以延伸到整个 PPP 对话，或只延伸到一个两段对话的其中一段。 ＊IP隧道方式（IPSec）。 IPSec 隧道方式中隧道完成封装、路由选择与解封装的整个过程。隧道将原始数据包隐藏(或封装)在新的数据包内部。该新的数据包可能会有新的寻址与路由信息，从而使其能够通 过网络传输。隧道与数据保密性结合使用时，在网络上窃听通讯的人将无法获取原始数据包数据(以及原始的源和目标)。封装的数据包到达目的地后，会删除封装，原始数据包头用于将数据包通过路由选择到达最终目的地。 ＊路由方式。 路由方式就是启用路由模式，可以省却代理服务器和拨号软件或宽带路由器。 ＊多协议标记交换（MPLS）方式。 这是一种用于快速数据包交换和路由的体系，它为网络数据流量提供了目标、路由、转发和交换等能力。更特殊的是，它具有管理各种不同形式通信流的机制。MPLS 独立于第二和第三层协议，诸如 ATM 和 IP。它提供了一种方式，将 IP 地址映射为简单的具有固定长度的标签，用于不同的包转发和包交换技术。

通过上述描述，我们明显可以看到，由于Internet 业务的流行, 传统的电信接入网不再以支持电路业务为基本特征, 而是向提供电话、数据(以Internet 业务为代表) 和视频业务的综合接入方向演进, 同时IP 业务运营商也希望IP 接入网能够提供传统电信业务。所以, 接入网越来越显现出综合业务接入的特征。也正因为这样的发展趋势，大大地推动了接入网的迅猛发展。 由于目前接入网络的快速普及，大家对此的感觉也会日益明显。因此, 现在人们不再用“接入网”这个术语指G .902 定义的接入网或ITU-T Y .1231定义的IP 接入网, 而笼统地用“ 接入网”来表示用户与核心网中的城域网之间的一系列传送实体(例如线路设施和传输接入设施)组成, 为传送接入电信业务以及电信与IP 综合业务而提供所需传送承载能力以及综合的IP 接入能力, 并且可通过网管接口或参考接口(RP) 进行配置和管理的实施系统。由于接入范围和接入内容的扩大，接入网的界定就有了不同的观点，这一观点不同的原因主要取决于对城域网的界定而有相应的区别。城域网概念始于计算机网络, 它指位于广域网和局域网之间、在城市及郊区范围内的计算机网络。由于传统电信网与计算机通信网的融合, 城域网概念引入到公用通信网领域并导致城域网概念内涵的变化。为此接入网的物理界定也存在了不同的两种观点。下面我们将针对存在的两种不同观点加以探讨分析。

● 两种观点 现在人们用“城域网”泛指运营商在城市及其郊区范围内提供话音、数据( 包括IP 业务)、图像、多媒体和各种增值业务及智能业务等多种业务的网络。城域网引入到公用通信网模糊了传统电信界所定义的电信网结构以及接入网概念。 ＊观点一。 目前不少业界人士根据网络地域特征和功能特征认为电信网由长途骨干网、城域网、接入网和用户驻地网组成, 如图1.7中的观点一所示。其中： 骨干网指连接国家各省/ 地区主要节点的网络, 通常是网状网, 具有可靠的保护措施, 以解决大容量的可靠传输为基本特征。 城域网除较大容量传输外以路由调度较长途骨干网频繁灵活、通常为环网而区别于长途骨干网; 接入网部分则包括以支持传统电话业务为主的传统电信界定义的接入网、以接入数据业务/ IP 业务为主的IP 接入网和提供综合业务接入的接入网, 主要功能是用户业务的接入和汇聚, 拓扑结构则呈现多样化, 既有星形、环形也有树形, 还有环形加树形等。用户驻地网是属于用户自己或用户驻地网运营商管理运行的网络, 一般是用户终端至用户网络接口UNI 间所包含的网络部分, 它由用来完成通信和控制功能的用户驻地中的机线设备组成, 其规模大小因用户的不同可能非常不同, 最简单的用户驻地网可以仅仅是进到普通居民用户家里的一对双绞线, 大的复杂的用户驻地网可以是覆盖几千米的校园通信网、大企业网或用户驻地网运营商所运营的居民小区网络等。

长途骨干网 观点二 城域骨干 城域网 观点一 城域网 城域接入 1:N 接入网 用户驻地 用户驻地 图1.7 通信网的结构示意图

＊观点二 也有人提出把上述观点一中的接入网纳入到城域网中的观点（如图1.7中所示的观点二）。 这样就把城域网划分为城域骨干和城域接入两部分,它们分别对应观点一中的城域网和接入网。因为无论观点一中的接入网还是观点二中的城域接入段实质上在业务量大小、业务量分布、运行维护管理要求等方面都与城域网或观点二的城域网骨干段有明显的不同, 所以为了更好地区分和体现城域网和接入功能的不同特质，通常我们更容易倾向于观点一的定义。那么如果按照观点一的划分，我们可以总结性地将通信网的组成结构以图1.8的方式加以归纳描述。 核心网 CPN 接入网 CPN UNI SNI 城域网 骨干网 城域网 接入网 SNI UNI 图1.8 通信网组成

1.2.3 接入网的特点 根据前面观点一通信网的结构，我们可以清楚地看到接入网的位置，正是由于在电信网中的位置和功能的不同，接入网与骨干网、城域网有着非常明确的区别。总结来说，接入网的特点主要表现在以下几个方面： ●业务量密度低 骨干网是高度互联的网络，可以应付很大的业务量需求，统计结果显示一般骨干网的中继电路的占用率都在50％以上。而接入网的业务量密度则低很多，比如普通住宅用户接入链路的业务量密度都极低，占用率在1％以下。这结果导致网络这一部分的经济效益较差，投资回收周期很长。但是随着目前网络技术的迅猛发展，用户需求也在同步地增长，这方面效率也在同步地提高 ●业务量分布为集中型 骨干网、城域网（尤其是长途骨干网）的业务量分布一般为均匀型，各节点之间业务量差不多。而接入网的业务量分布为典型的集中型，业务量一般都是由靠近用户端的节点“集中’到位于端局的节点。端局为主节点，用户端为从节点，业务都是在“主一从”之间进行传送的。为了更好地说明这一点，我们可以通过图1.9来更好地理解。

（a）骨干网的典型业务量分布（均匀型） （b）接入网的典型业务量分布（集中型） 图1.9 骨干网与接入网的业务量分布 ●成本要求低廉 骨干网、城域网是由成千上万的用户使用、占用率高，因此计算到每用户分担的成本较低；而接入网是由个别或少数用户专用、占用率低，成本直接由各用户自己承担。这就要求接入网总成本（包括投资成本和运维成本）必须低廉，才能达到用户的应用能力，才能更好地发展用户，为用户提供低成本高质量的服务。

●成本差异大 由于接入网是直接面向用户的，同时它要覆盖各种类型的用户，不同类型用户的要求又不同、建设条件也不尽相同，这样就导致不同地区后地点的成本差异非常大。如偏远地区用户成本可能要比市区用户成本高出10倍以上。核心网则不同．不同交换区间的成本差最多也只有3—4倍。 ●成本与业务量无关 对于核心网来说，它的总成本对业务量很敏感．可以基于对业务量的预测．对网络进行最佳配置。而用户接入网工作在极低的业务量密度下，尽管业务量变化可能较大，但对成本却没有明显影响，其成本与业务量基本无关。 ●用户需求多样化 接入网直接连接用户，而不同的用户在业务容量、业务性能、可靠性／生存性等诸多方面都有着不同的要求。比如，大企业用户业务量大、对QoS保证要求更高、同时要求更可靠的保护，要求有保护倒换功能等；而小企业用户和居民用户则业务量则相对较小、对QoS要求不高，也不一定要求保护倒换，因为其成本承受能力差。正是这种用户需求的多样性决定了接入网技术的多样化。所以在接入网环境不太可能只有一种技术的存在，目前在我国的接入技术就可以说是五花八门，同时不同技术在不同地区的应用情况也存在极大的差异。 ●运行环境恶劣，维护量大 核心网所用的设备一般装在环境可控的机房内，保持在一定的温度和湿度下工作。而接入网设备则一般要求安装在室外，工作环境恶劣。这对器件、设备都提出了更高要求。接入网涉及众多用户、规模巨大，加上运行环境恶劣、故障率相对较高，整个接入网的运行管理维护工作量也就变得十分庞大。 ●覆盖半径相对较小，一般 10KM以内 一般接入网的覆盖半径比较小。据统计在我国 10 km能覆盖 95％以上的用户。

1.2.4 宽带接入网及其特点 前面我们已经研究了接入网的基本特点，但是随着网络和用户业务需求的逐步增大，最初接入网能为用户提供的服务已经远远达不到用户的要求，这样就推动了宽带接入网的发展。为了更好地理解宽带接入网，我们首先从宽带的基本概念出发加以说明。 首先说明宽带接入网中“宽带（broadband）”的含义。宽带的概念首先出现于国际电信联盟关于宽带综合业务数字网的规范。根据1997年公布的ITU-T l.ll3的定义，“宽带业务”是要求业务传输速率（这里要注意不是线路速率）高于基群率（1.5Mbps或2Mbps）的业务。那么提供宽带业务的接入网则为宽带接入网。但是目前人们所说的宽带已经不是这一定义上的宽带，已经是指Interner的连接速率远大于拨号的64kbps的速率。一般认为256kbps是所谓宽带的最低速率。这里需要说明的是，在传统意义上的接入网定义上是不解释信令的，换句话说就是不含业务节点的交换功能。但是宽带接入网为了支持IP等业务，它在接入网内含业务节点的一些功能，例如可能含有路由器或MPLS（多协议标签交换）交换机，虽然这些不是信令控制下的第二层交换机，但是MPLS的标签交换也相当于信令，用面向连接的第二层功能来支持无连接的第三层选路，这是与以话音为主的窄带接入网有所不同。同时宽带接入网还可能需要与AAA（Authentication、Authorization、Accounting验证、授权和记账）服务器相连以提供认证，授权和计费功能。在网络侧宽带接入网很可能需要同时面对分组数据网和传统的电路交换网。虽然宽带接入网技术有很多种（后续课程将加以介绍），但它们之间具有一些共性的特点，除了前面所介绍的接入网特点之外，共性的特点主要表现如下：

●多业务接入特点 大家都知道，对于运营商来说，语音业务和数据服务业务是业务运营商的主要收入 来源之一，但是随着技术发展的不断提高，无连接的数据业务增长速度也非常快。所以 无论从网络运营商还是用户来说都更希望用同一个接入网同时实现宽带和窄带话音业务 。但是传统的窄带接入网是以话音业务为主，是基于电路连接；而以数据为代表的宽带 业务是非实时的，适合于以分组方式传输，因此就要求宽带接入网具有将宽带和窄带业 务融和或集成在一起的能力实现多业务的接入。 ●多用户共享特点 前面我们已经说过，接入网的基本特点要求之一是低成本，这就决定了宽带接入网 技术大多数都具有尽量多用户共享网络资源的特征，如无源光网络PON、混合光纤同轴 电缆系统HFC．本地多点分布系统LMDS等。局端设备、光纤等尽量由众多用户共享。 共享的需求也带来了多址接入、安全性保证、带宽分配管理等一系列问题。这些问题在 窄带接入网中是没有涉及到的。 ●业务的不对称性和突发性特点 宽带接入网传输的相当大比例的业务是数据业务和数字图像业务，这些业务通常是不对 称的，而且突发性很大。因此上、下行带宽不等是大多数宽带接入网的特质，如ADSL、

PON、HFC、LMDS等。由于业务的突发性和低成本的要求，在PON等宽带接入技术中 都面临带宽动态分配的问题。如仍按传统的固定带宽分配，那只能按峰值速率分配带宽 ，这样就会导致资源利用的浪费，网络资源很快会被分配完，而且在相当多的时间里还 会有不少用户的使用速率远低于峰值速率，造成网络资源使用率非常低下。所以，动态 带宽分配也是宽带接入网的关键技术之一（后续课程将会介绍）。 1.2.5 宽带接入网建设的重要意义 根据我们对宽带接入网特点的了解，我们可以看出，为了实现用户高速共享网络资 源，宽带业务的发展是通信产业的支撑业务之一。电信运营商尤其是北美的电信运营商 在经历了泡沫破灭的打击后越来越趋于理智，都把以最小的投入取得最大业务收入和利 润作为主要目标。客观的分析和调查表明：宽带业务需求的的确确存在而且不断增大。 Yankee Group公司当年在美国的一项调查结果是：DSL宽带接入的用户平均每周25小 时在线（而拨号为7.5小时）．78％的调查对象宁愿放弃日报也不愿放弃DSL接入．甚 至63％的人宁愿放弃每天的咖啡也不放弃DSL接入。这从一个侧面反映出人们对宽带的 需要越来越迫切．而且随着人们对视频、互动网络游戏等高带宽消耗业务的需求日益增 大，ADSL所支持的下行几兆比特每秒、上行几百千比特每秒的“宽带”开始不能满足很 多用户的需求，随之而来的光纤到户（FTTH）越来越得到用户的认同。据宽带论坛（

Broadband Forum，这是一个非官方组织）曾发布报告称，2011年，全球宽带和IPTV 的增长都达到了过去5年来的新高。2011年全球宽带用户增长6549.36万，宽带用户总 数达到5.97亿，季度增长率达到2.6%，年增长率达到12.3%。中国宽带用户数达到1.58 亿，位列全球第一。美国和日本分别以9163万和3669万紧随其后。在金砖国家中，俄 罗斯宽带增长率最高，达到36.85%，用户总数达到2074万；巴西（目前排名第九）增 长率达到19.3%，用户总数为1648万。报告称，2011年印度宽带增长率达到了24.5%， 用户总数达到1330万，有望在今年跻身全球十大宽带国家行列。 宽带论坛首席执行官罗宾·默什表示，覆盖率的提高和竞争性的定价意味着大部分 城市人都有机会通过宽带接入互联网，因此印度对宽带的需求正迅速增长。但阻碍宽带 发展的因素依然存在，主要是成本以及城市与农村之间的差距。不过，印度宽带服务提 供商已开始着手通过由创新性企业和政府驱动的一些项目来解决农村宽带接入问题。默 什表示：“宽带增长率重新开始提升让人兴奋，这也显示宽带市场正在得到加强。随着 宽带在越来越多的新兴市场发展起来，宽带将成为世界各地越来越多人日常生活的一部 分”。 从我们国内的发展来看，作为全球第一的宽带用户国家，骨干网己有能力支持宽带 业务的开展（骨干网的带宽己达到Tbps量级），用户侧终端接口速率也达到10 Mbps、 100 Mbps甚至1Gbps，但是接入网由于其用户需求多样化，接入技术多样性、成本极其 敏感和投资回收周期长等特点是其在电信泡沫期也没有像骨干网建设那样出现过热。发 展宽带业务的瓶颈主要在宽带接入上。所以提升国家信息基础设施的层次、提高信息服　

务质量和保证信息服务安全关键在接入网。这是宽带接入网建设的重点，其意义在于宽 带接入网的建设对国民经济也将产生巨大推动作用。这点从信息发展给我们带来的日新 月异的变化不难看出。 此外．宽带接入网的建设和宽带业务的开通极大地促进电子商务、电子政务、远程 医疗、远程教育、集团用户的高速虚拟专网等众多应用，这将极大提高社会各行业的工 作效率和质量；宽带接入网的建设和宽带业务的开通还为我们提供视频点播、高清晰度 电视、网络互动游戏等丰富人们生活的服务，使人们生活得更加多姿多彩。比如我们现 大多数人都比较热衷的网络购物，网络电影等等都体现了宽带接入的优势。但是，由于 用户需求的多样性和运营商资源优势的不同等原因，各种宽带接入技术都有其典型的适 用场合。目前应用较多的宽带接入技术主要有基于双绞线传输的接入技术（xDSL）、基 于对同轴电缆和光纤混合传输系统双向改造的接入技术（HFC＋Cable Modem）、基于光 纤和5类线的以太网接入技术、基于光纤传输的接入技术和基于无线传输的接入技术， 这些宽带接入技术的着重点不同，适用场合和生命期也不同，而且实际应用中可以是两 种或多种技术的结合应用。比如：通过宽带PON（EPON、APON或GPON）完成局端到位于 距用户群比较近的商用楼、小区的光网络单元（ONU）信号的传输，然后通过xDSL或5类 线上的以太网传输技术完成从ONU到最终用户的信号传输。

接入网技术很不同于骨干网技术，它要直接面向需求差异很大的各种用户群（尤其对我 国这样经济发展水平很不平衡的情 况），这就决定了接入网的技术是多元化的，不是 单一种技术就能完成的。但是在选择接入网技术时需要全方位地、综合地评价各种技术 的长处和不足，根据不同的用户群、己有资源情况、未来来发展趋势、运营维护是否便 利等多方面因素做出决定。从长期发展来看，大家公认宽带接入技术的主流和方向是光 纤接入，光纤到家也是未来发展的必然趋势；目前光纤接入主要为企事业用户和居民用 户群服务，同时FTTH在部分城市区域也开始应用。下面将简明介绍各种宽带接入技术 的基本工作原理及其特点加以分析阐述。 1.3 xDSL宽带接入技术分析 随着居民和企业用户对高速Interner接入等宽带媒体业务的需求日益增长，如果采用重新施工布线的方法显然无法迅速地达到所有用户的要求，特别是时间上的要求，同时新的施工投入成本极大，因此如何利用现有的有效资源来满足用户需求成为传统电信运营商最为希望和优先考虑的问题，因为他们拥有分布广泛、能够或者已经直接到达用户的双绞线资源，所以充分利用铜线这一宝贵资源并快速解决用户的需求成为他们不二的选择。

1.3.1 ADSL技术 由于通信技术的迅速发展，更多的人已经了解xDSL技术实质上是基于普通电话线 的宽带接入技术，DSL即是（Digital Subscriber Line）数字用户线的简称。它在一 对（或二、三对）电话线上同时传送高速数据和语音信号．数据信号并不需要通过电 话交换机设备．与拨号网络相比减轻了电话交换机的负载。大家都知道，原有的普通 电话线主要目的就是为我们提供语音的电话业务，xDSL技术之所以能够在普通音频质 量的双绞线上传输高速（几百千比特每秒到几兆比特每秒）数据信号的关键是xDSL技 术采用了技术高效的编码调制、回波抑止、数字自适应均衡等技术。 在我们这里所说的xDSL中的 “x” 代表着各种数字用户线技术，包括ADSL、HDSL、 SHDSL和VDSL等，其中ADSL得到了广泛的应用。下面我们就首先介绍ADSL技术。 1.3.1 ADSL技术 ●技术描述 ADSL称为非对称数字用户线，因为它具有下行速率较高、使用方便等特点而成为宽 带接入发展初期居民用户和小企业用户宽带接入的主流方式之一。 ADSL是一种非对称的DSL技术，所谓非对称是指用户线的上行速率与下行速率不相 同，上行速率低，下行速率高，特别适合传输多媒体信息业务，如视频点播（VOD）、 多媒体信息检索和其他交互式业务。ADSL在一对铜线上支持上行速率几百千比特每秒， 下行速率几兆比特每秒，传输距离在几千米范围以内。这个数据受实际环境和线路质量 影响较大。现在普遍应用的 ADSL技术是由 ITU-T标准 G.992.1和 G.992.2所规范的。

G.992.1是全速率的ADSL标准，支持6Mbps/640kbps的高速下行／上行速率，但是要 求用户端安装分离器（用于分离低频模拟普通话音信号和高频高速数字信号），安装稍 复杂且价格相对贵一些。G.992.2标准速率较低，下行／上行速率为1.5Mbps/512kbps， 它的优势在于不需要复杂的分离器，成本较低且便于安装。从适用领域而言，标准满足 G.992。1的产品比较适用于小型或家庭办公室（SOHO），而满足 G.992.2要求的产品则 更适用于普通家庭用户。后期ITU-T根据接入技术的发展又陆续推出了其他相关标准，如 ADSL2标准，都是在传统ADSL基础上发展起来的，是ADSL的补充和增强。既然ADSL技术还 是目前众多应用DSL技术应用较为成熟的一种，我们下面将对其原理和应用加以系统阐述。 ●ADSL宽带接入技术原理分析 （1）工作原理 ADSL系统采用频分复用在双绞线上同时传输普通电话业务和ADSL数据业务，其频谱分 布如图1.10所示。 上行信道 POTS 下行信道 4KHz 20KHz 138KHz 552KHz或1.104MHz 图1.10 ADSL频谱分布示意图

其中，0～4kHZ频段传送话音基带信号，实现电话业务。对数字信号采用两种上下行 带宽分配策略。 第一种：上行和下行传输采用重叠频谱，并应用回波抵消技术。 第二种：上下行频带不使用任何两个相同的载波。上行频率的范围大约从 20 kHZ开始最大到 138 kHZ，下行频率则一直延伸到 1104 MHz 称为全速率 ADSL，由 ITU-T 标准中的 G.992.1所规范）或 552 kHz（称为无分离器型ADSL，由 ITU-T G.992.2 所规范）。由于双绞线的带宽有限，所以ADSL才有了先进的调制技术来解决这个问题。 （2）调制技术 目前，国际上广泛采用的ADSL调制技术有3种：正交幅度调制QAM、无载波幅度相位调制CAP、离散多音调制DMT。其中DMT调制技术被ANSI标准化小组 T1E1.4 制订的国家标准所采用。ADSL标准规范的调制方法是DMT调制。 ●QAM调制基本原理 QAM是一种矢量调制，将输入比特先映射到一个复平面（星座）上，形成复数调制符号，然后将符号的I、Q分量(水平和垂直方向）采用幅度调制，分别对应调制在相互正交（时域正交）的两个载波上。这样与幅度调制（AM）相比，其频谱利用率将提高1倍。 QAM 是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下可实现更高的频带利用率，目前QAM最高已达到1 024-QAM（1 024个样点）。样点数目越多，其传输效率越高.

●CAP调制技术 CAP（无载波幅度/相位调制）调制技术是以QAM调制技术为基础发展而来的，也有 人认为它是QAM技术的一种变种。它与QAM的区别是其实现手段的数字化，输入数据被送 入编码器，在编码器内，m位输入比特被映射为k=2m个不同的复数符号，由k个不同的复 数符号构成k-CAP线路编码。编码后被分别送入同相和正交数字整形信号分离器，求和后 送入D/A转换器，最后经低通信号分离器发送出去。 ●DMT调制技术 DMT调制原理是将整个信道的可用带宽划分成N个独立的、等带宽的子信道，然后根 据每个子信道的传输特性（主要是不同信道的衰减和噪声干扰情况不同），分配给它不 同的比特数和传输能量，每个子信道采用不同星座点数的QAM调制。当N足够大时，子信 道的带宽将足够小，它们的传输函数也就越接近理想状况，可以理论上实现无码间干扰 地传输。因此如果充分发掘每个子信道的潜力，将能够更好地利用每一段频谱资源，为 了更好地理解DMT调制技术的本质，我们可以通过图形的方式加以形象说明，如图1.11所 示。

多个4KHz的子信道 基本 电话 业务 POTS 1.104MHz 3.4KHz 将上行25—138kHz,下行分138kHz-1.104MHz的频带，划分为N个4.3125kHz子信道。每个子信道上一个载波，每个载波采用QAM调制 图1.11 DMT 调制示意图 ●DMT调制能力的范围是0-15bit/s。DMT调制系统根据情况使用这255个子信道，可以根据各子信道的瞬时衰减特性、群时延特性和噪声特性决定子信道的传输速率。在性能优良的中间频率子信道一般调制能力均大于10bit/s/Hz，而在低频率或高频率的子信道，DMT技术可根据信道性能自适应地将调制能力降为4bit/s/Hz。不能传输数据的信道将被关闭。我们可以通过图1.12加以理解。

图1.12 DMT自适应调制示意图

由图1.12可以看出，DMT可以根据探测到的信噪比随频率变化的情况调整各个子信道的比特数，使总体传输速率尽可能地接近给定条件下的最高速度。其速率调整方式从实际应用的角度可以用一下两个方面加以文字描述。 初始化速率调整：启动初始化阶段，通过收发器训练和信道分析过程，测量各子信道的信噪比，确定各个子信道所调制的比特数、相对功率电平等传输参数，以保证各子信道传输容量和可靠性最优。 快速学习过程：在传输过程中通过快速学习过程来实现传输速率的动态调整。具体做法是：当线路质量降低到一定的程度时，马上启动快速学习程序，降低传输速率；而当线路质量提高到一定程度时，启动快速学习程序，提高传输速率。

（3）ADSL应用示意图 交 换 模 块 配 线 架 配 线 架 W A N DSLAM C O R E T U PSTN （窄带网络） 分离器 铜线 ATM/IP （宽带网络） W A N DSLAM C O R E T U 10BaseT ATU-R 远端 局端 图1.13 ADSL应用示意图

●应用描述 ADSL的重要功能模块是 ATU-C（ADSL Transceiver Unit at the central office end）局端ADSL收发单元和 ATU-R（AT at the remote terminal end）远端 ADSL收发单元，它们完成上述DMT调制、信道编码等功能。实际中ADSL系统在局端是把众多ATU-C模块多路复用起来，这种复用系统叫做“DSLAM”（DSL Access Multiplexer）。在远端／用户端的设备是由 ATU-R及其相关电路构成的 ADSL Modem（ADSL调制解调器）。虽然ADSL尤其独特的优势，也得到了很大的应用，但是作为使用传统网络条件的新技术必然会受到原有条件的制约（这也为今后向光纤发展提供了可能），这种制约主要表现在以下几个方面： 在实际线路中ADSL的速率受线路质量的影响很大。 线路衰减正比于线路的长度和频率而反比于线缆直径，因此说明ADSL性能会受到用户线长度和线径的影响。 一般来说在2公里内，线路长度对ADSL速率的影响不是太大，但超过2公里后，ADSL速率随线路长度的增加而急剧下降。

1.3.2 相关DSL技术简单说明 与ADSL技术先后产生的技术形式还有HDSL、SHDSL和VDSL等。 ＊HDSL称为高速数字用户线，现行标准为G.991.1，可利用现有电话线铜缆中的用户线的2对或3对双绞线来提供全双工的1.544Mbps（T1）或者2.048Mbps（E1）数字连接能力，线路码为2B1Q或CAP,传输距离理论可达5公里。 ＊SHDSL也是一种对称的数字用户线技术，它与HDSL的主要区别在于它是利用一对双绞线来提供全双工的192-2312Kbps数字连接能力，线路码是TCPAM，传输距离可达3km。 ＊VDSL（Very high speed Digital Subscriber Line）甚高速数字用户线技术是鉴于现有ADSL技术在提供图像业务方面的带宽十分有限的弱点而设计开发的。VDSL是xDSL技术中提供带宽最宽的一种，线路编码调制通常采用DMT或CAP线路码。它能够在一对铜质双绞电话线上支持数十Mbps速率的传输，同时支持不对称或对称两种形式，不对称时下行速率可以达52Mbps，上行速率为2.3Mbps。但VDSL的传输距离较短，一般只在几百米(300米)以内。 ITU-T于2004年 6月颁布了关于 VDSL的规范——G.993.1。因VDSL传输距离很短，它通常与光纤传输系统配合使用来提供速率高于ADSL的宽带接入，比如提供视频业务。

1.4 “FTTB＋ LAN”以太网宽带接入技术 所谓 “FTTB＋ LAN”是指从运营商局端设备到位于距用户群比较近的机房或楼道 （如商业楼、居民小区、居民楼） 上的用户端设备之间采用以太网在光纤上实现全双 工传输方式，然后用户端设备到用户之间采用在5类线或5类线以上的以太网，实现百 兆／十兆到用户的接入技术。服务居民用户时典型的情况是 “千兆到小区（光纤）、 百兆到大楼（光纤）、十兆到家庭（5类线）”，服务商业用户时典型情况是“光纤到 大楼（千兆）、5类线到用户（百兆）”。 接入网采用以太网，将形成从局域网、接入 网到城域网全部是以太网的结构。 基于“FTTB＋ LAN”网络的局端设备一般位于城域网局端接入节点机房，用户端 设备一般位于小区机房或大楼内；或者局端设备位于商业大楼内，而用户端设备位于 楼层内。局端设备提供与IP骨干网的接口，用户端设备提供与用户终端计算机相接的 10／100 BASE-T接口。局端设备与用户端设备之间采用点对点的连接方式。局端设备 具有汇聚用户端设备网管信息的功能。由于众多用户都在同一以太网交换机下，一般 通过VLAN保证用户信息的安全性可以防止广播风暴。 同时，由于采用这样的网络，网络的各个环节之间就可以无缝连接，无需任何格 式转换； “FTTB＋ LAN”以太网宽带接入具有接入速率较 ADSL高、技术成熟使用普 遍、带宽扩展性强等优势，而且在用户密集（如楼宇用户）且用户开通率比较高的情 况下“FTTB＋ LAN”成本与ADSL相当。为了形象地说明这一点，我们可以通过图1.14 加以描述。

图1.14 “FTTB＋ LAN”服务于居民用户时的典型网络结构 LSR 区域网络 1G 1G 小区接入 ZAN ZAN 100M BAN BAN 楼宇接入 100M 10M 用户终端 LSR 本地交换路由器 ZAN 小区网络 BAN 楼宇网络 图1.14 “FTTB＋ LAN”服务于居民用户时的典型网络结构

1.5 “HFC＋ Cable Modem”宽带接入技术 除原来提供CATV业务外还提供Internet接入业务的技术。“HFC＋ Cable Modem”系统 中局端或者头端（有线电视运营商的称谓）至用户群比较近（一般情况下是几百米距 离）的光节点采用光纤作为传输媒质，光节点至用户之间采用同轴电缆作为传输媒质。 因为其本质特征是对原来单向HFC进行了双向改造使之能够除提供单向的图像业务外 还提供双向数据业务，所以也称作双向HFC；也有人简称为 HFC技术。 ●技术特点描述 ＊在原有CATV基础上进行双向改造 （1）干线部分：光传输系统代替CATV中的同轴电缆 （2）用户分配网部分：仍保留同轴电缆网络结构，但放大器改成双向的 ＊可提供业务 （1）保留原有CATV单向电视广播业务 （2）利用剩余频带提供宽带数据业务 ●工作原理说明 “HFC＋ Cable Modem”的基本工作原理是采用副载波频分复用方式，同时传送图 像、数据信号（Internet接入）。根据我国广电行业标准的频谱划分模式 , 其频谱安 排可以通过图 1.15加以说明。

＊5—65 MHZ：是上行回传信号频段，也为计算机联网、可视电话、电话、电视会议、电视广播及监控报警等信号用。 上行信道 下行信道 CATV业务 数字上行 数字下行 个人通信 108-111MHZ 111-550MHZ 5-65MHZ 88-108MHZ 其中462-470MHZ 为下行指令频段 550-862MHZ 65-87MHZ 图1.15 双向HFC频谱安排 ● 频带分配描述 ＊5—65 MHZ：是上行回传信号频段，也为计算机联网、可视电话、电话、电视会议、电视广播及监控报警等信号用。 ＊65—87 MHZ：为上、下行频率滤波器隔离带。 ＊88—108 MHZ：为调频广播节日及数字单频广播用，比电视电平低 8 dB。 ＊108—111 MHZ：是下行指令、监控报警等信号频段，比电视电平低8 dB。 ＊111—115 MHZ：为模拟电视频道使用。 ＊462—470 MHZ：为下行指令频段，可以作为收费寻址下行信号的传送，比电视电平低8 dB。 ＊550—862 MHZ：为数字广播及下行数据信号传送使用。

● 系统组成 HFC系统组成如图1.16所示 图1.16 双向HFC系统组成

●技术优势及不足 ＊能利用现有的覆盖率相当高的有线电视网资源。 ＊同时提供视频和数据业务；数据业务一般支持几百千比特每秒到几兆比特每秒 （与共享用户数有关）的数据接入。 ＊对于HFC网络的运营商来说成本较低。 ＊它必须对原来的传统单向HFC（有线电视网）进行双向改造。 ＊只适用于居民用户而不适用于企业用户。 ＊可升级性较差。 1.6 电力线载波宽带接入技术 电力线载波接入技术也称电力线通信（PLC），是指把宽带接入数据等信息调制在 载波上，利用电力线传输数据信号向用户提供宽带业务的一种接入方式。 电力网作为 电能输送的专用网络，是国家基础网络之一。它的覆盖面之广、 容量之大是任何网络 都不能相比的。通过利用传输电流的电力线传输宽带业务数据， 使得PLC具有极大的 便捷性，只要在房间任何有电源插座的地方，就可接入互联网。从而可以实现集数据、 语音、视频以及电力于一体的“四网合一”。另外，可将房屋内的电话、电视、音响、 冰箱等家电利用PLC连接起来，进行集中控制，可以实现“智能家庭”的梦想。在目前， PLC主要应用形式是作为一种宽带业务接入技术，为居民小区等提供Internet接入。

● 系统拓扑图 电力线载波接入系统框图如图1.17所示。 图1.17 电力线上网系统拓扑图

●拓扑描述 由图1.17可见，PLC利用低压电力线传输数据信号，设备也是由局端PLC设备（放 置在配电间）和用户端Modem组成。 局端负责与用户PLC调制解调器的通信和与外部 网络的连接，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输到局 端设备．局端将信号解调出来．再转到外部的Internet。用户PLC Modem放置在用户的 家中．一端连接用户计算机，另一端连接到电力线上向局端设备收发数据。 ●优势与不足 与其他接入技术相比，电力线宽带接入网络具有以下优势： ＊可以利用现有的配电网络基础设施，不需要重新布线，线路成本低； ＊便于进行家庭内部联网，实现智能家庭； ＊覆盖面极其广泛，其规模是其他任何网络无法比拟的，PLC可以轻松地渗透到每 个家庭，为互联网的发展创造极大的空间。 但电力线宽带接入也存在一些不足之处： ＊通常只能利用低压电力线这部分而这段距离通常也就几百米，相比ADSL传输距离 比较短； ＊通信质量受低压电网上负载变化的影响较大。 ＊可能受到电力管制等管理方面的影响 ＊电力频段的有限性制约，当占用9khz到20Mhz的频带时现有的长波、中波和短波 等无线电业务频带将被覆盖。

1.7 光纤宽带接入技术 光纤接入是指局端与用户之间完全以光纤作为传输媒体的接入技术。光纤接入具有 带宽大、传输距离远、可靠性高等特点，而且光纤接入是实施 “少层次、少局所、大 局所” 接入网建设原则的最好方式，无论是运营商还是供应商都公认它是宽带接入的 发展方向。 ●分类（根据光分配网是采用有源或无源设备划分） （1）有源光网络(AON, Active Optical Network)， 主要特点 ＊ODN全部由有源器件组成（光放大器等） ＊传输容量大：155Mb/s或622Mb/s的接入速率； ＊传输距离远：不加中继器，距离为70多公里； ＊技术成熟：无论PDH设备还是SDH设备，都已广泛应用； ＊给有源设备供电困难； ＊投资成本高。

（2）无源光网络 主要特点 ＊ODN (光分配网络)没有任何有源电子设备 ＊无源光网络设备简单，便于维护，寿命长，投资相对也较小。 PON的低成本源于设备、线路等方面的投资成本和运维成本两方面成本的降低。在 投资成本方面，相对于点对点结构，PON使用的光收发器（占设备成本相当大比例）数量明显减少（约减少一半）。光缆及其施工量的减少也使投资成本大幅下降。在运维成本方面，PON的点对多点、无源特征和光缆较电缆的长寿命、高可靠性使其运维成本大大减少。 ＊无源光网络设备组网灵活，支持多种拓扑结构。（如树形，总线型，环形，环形+树形的混合型等） ＊无源光网络设备安装方便。无需专门场地和机房，无需远端供电。 ＊无源光网络适用于点对多点通信，进而适合汇聚多用户。 传统的点对点方式不仅仅需要大量光纤．而且还在运营商中心机房／局端处因众多光口占用较大的空间、消耗更多的电力。PON的无源点对多点拓扑使得在局端一个光口等效于点对点的10～100个光口．节约了光缆和光缆施工的大量费用．节省空间和电力．是有效地汇聚众多用户的经济方法。所以说．PON不只适合分散用户．更适合于用户密集的应用场合 ＊无源光网络是纯介质网络，无电磁干扰和雷电影响。 ＊无源光网络扩容比较简单，用户投资得到保证。 ＊承载数据业务效率高

PON系统在进行时分多址接入控制的同时非常方便实现各ONU用户之间的动态带宽控 ＊适于承载广播、组播业务 PON无源点对多点结构、下行物理层广播传输、 易于下行传输容量大于上行的机制 使之非常适合承载广播、组播类型业务（如 IP TV）。 像IP TV这样很消耗下行带宽具 有组播、广播特征的业务在PON上承载非常有效，比如一个PON口可带128个ONU，这样的 话，PON在承载广播业务时可比点对点方式提高效率128倍。 ＊升级性好 PON无源、纯光纤的光分配网对波长是透明的，适于通过波分复用同时承载模拟的 CATV业务，也适合通过波分复用来对PON扩容升级。 1.8 无线宽带接入技术 无线接入技术是指接入网全部链路利用大气作力传输媒介， 为用户提供固定和移动 宽带接入业务的技术。无线宽带接入技术可分为移动接入技术（用户可移动）和固定无 线接入技术（用户固定） ●技术分类 固定无线接入包括本地多点分配业务（LMDS）、多路多点分配业务（MMDS）、3.5G固 定宽带无线接入、直播卫星系统（DBS)和自由空间光通信（FSO）等。

移动无线接入技术主要包括IEEE802.16e、WLAN、GPRS和3G等,全球主流的3G制式 有3种：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。 ●几种无线宽带接入技术阐述 （1）LMDS ＊技术优势 本地多点分配业务（LMDS），是一种高吞吐量、可提供多种宽带业务的点对多点 的微波技术，工作频段一般为20GHz～40GHz，可用带宽大于1GHz。 LMDS采用小区制技术，小区半径一般在3-5km左右。 系统容量大，传输容量仅次于自由空间光通信， 用户接入速率高达155Mbit/s， LMDS具有高带宽、双向无线传输等特点，主要应用是向用户提供双向话音、宽带交互 式数据和多媒体业务等，如宽带视频分配业务。 特别适用于突发性数据业务和因特网接入。 较低的拓展成本，业务和覆盖可以容易地随用户需求的增加而扩展，系统运营者 能根据用户的需求灵活提供特定业务。 维护、管理和运营成本低，设备量较少，没有有线接入的大规模的管线。

LMDS是结合高速率的无线通信和广播的具有交互性的系统。LMDS网络结构主要由核 ＊系统结构 LMDS是结合高速率的无线通信和广播的具有交互性的系统。LMDS网络结构主要由核 心网、网络运行中心（NOC）、服务区中的基站系统和服务区中的用户端设备组成。 典 型的LMDS系统结构由基站（又称中心站）、终端站（又称远端站或用户站）和网管系统 组成。如图1.18所示。 图1.18 LMDS系统结构图

＊结构说明 基站： LMDS采用一种类似蜂窝的服务区结构，负责进行用户端的覆盖，可对不同扇区的 多个终端站提供服务，提供与核心网的接口， 完成SNI接口与空中无线接口之间信号 的处理与变换，并负责LMDS系统无线资源管理。因此LMDS系统的基站采用多扇区覆盖， 基站包括室内单元和室外单元两部分。使用在一定角度范围内聚焦的喇叭天线来覆盖 用户端设备。 终端站： 终端站位于用户驻地，主要任务是接收基站的下行广播信号，从中提取属于自己 的业务信号，将其分配到各个用户；同时将来自本站各个用户的信号进行复用，采用 TDMA或FDMA或CDMA方式发送到基站。终端站均包括室内单元和室外单元两部分。 网管系统： 网管系统提供故障管理、配置管理、性能管理、安全管理和计费等基本功能， 如 自动功率控制、 自动性能测试和远程管理等。网管系统可对基站和终端站设备进行集 中监控、实现无人值守。

＊工作方式描述 LMDS系统采用双工方式，通常为FDD或TDD方式，两种方式各具优势和劣势， 由于 标准上的不统一，所以设备供应商的考虑也有差异。 但是从基本上来讲，TDD使用一个 共享的总带宽用于上行和下行通信，发送和接收在不同时间进行，分配给每个方向的带 宽是灵活可变的，需要时甚至可以将全部的带宽用于发送或接收： 而FDD则是将总带宽 分成上行频带和下行频带的两个相对固定的部分，上下行之间有一个保护带宽，上下行 的容量是固定的。传送数据业务和高速接入Internet时系统上下行的数据流量是随着时 间变化的，用户只在特定的时候需要较宽的带宽，这时采用TDD方式比采用FDD方式具有 更高的频带利用率。但技术实现上采用FDD方式对设备以及网络规划的要求相对简单一 些。总之，FDD这种相对固定的带宽分配比较适合于语音传输，而当数据业务量比较大 时，则是TDD占优势。而目前从网上的业务量分析，数据业务量增加的速度比语音业务 要快得多，从发展的角度来看，LMDS业务主要是数据业务，采用TDD方式是发展方向。 在LMDS系统中，主要采用FDMA（频分多址）或TDMA（时分多址）多址方式。这两种 方式各有特点，要视业务特性、服务策略、市场情况而定。FDMA比较适合于业务量大、 持续使用时间长的用户；而TDMA则适用于业务突发性强的用户。

＊ LMDS提供的业务 语音业务：基本语音、电话业务（POTS）. 数据业务: 包括低、中和高速数据业务，具体表现为租用数据线业务；高速数据广 播业务等。 IP接入业务：internet接入和LAN互联业务； 视频业务：LMDS支持高速数字图像业务。 ＊LMDS局限性  LMDS服务区覆盖范围较小，小区半径一般在5km左右，不适合远程用户使用； 不适用于降雨量大的地区，会受“降雨衰减”效应的限制，降雨衰减指的是雨滴对 微波的散射和吸收所造成的信号失真的现象； 不适用于地形、地物变化较大的地方，因为微波直线传输，所以只能实现视距接 入，地形、地物的阻挡会使基站与远端站间的通信中断； 传输质量在无线覆盖区边缘不稳定；  LMDS仍属于固定无线通信，缺乏移动灵活性。

多路多点分配业务（MMDS）是一种点对多点分布、提供宽带接入业务的无线接入 技术，比点对点覆盖用户量大，投资成本低。 ＊技术优势 多路多点分配业务（MMDS）是一种点对多点分布、提供宽带接入业务的无线接入 技术，比点对点覆盖用户量大，投资成本低。 MMDS工作频段主要集中在2GHz～5GHz，由于2GHz～5GHz频段受雨衰的影响很小。 在同等条件下空间传输损耗比LMDS低，所以MMDS系统可应用于半径为40km左右的大范围覆盖。 ＊系统结构 图1.19 MMDS系统结构示意图

＊结构说明 MMDS发射机：数字MMDS发射机的主要任务是将输入的视频、音频和数据信号，经 MPEG-2数字压缩、数字复接和QAM调制，再经过变频器后输出 MMDS 微波信号。数字 MMDS发射机分为单频道MMDS发射机和宽频MMDS发射机。 天线：数字MMDS发射天线即基站天线，提供水平或垂直极化、全向或不同方位角、 不同辐射场形，不同天线增益的各种MMDS发射天线，与波导或同轴电缆连接有两种接 口方式，有加压密封或者非加压密封、顶端安装或侧面安装等各种形式，可根据各种 MMDS系统要求选择，以求最佳覆盖。MMDS接收天线即用户站天线，可采用比较简单的 屋顶天线， 降频器：降频器即降频变换器，是数字MMDS的下变换器， 它将数字MMDS信号变换 到射频（RF）数字信号，MMDS最显著的特点就是各个降频器本振点可以不同， 可由用 户自选频点，即多点本振。 机顶盒：数字MMDS机顶盒是数字MMDS接收解码器（又称数字MMDS解扰器）。它将数 字MMDS的下变换器输出的RF数字信号转换成模拟电视机可以接收的信号。机顶盒（STB） 一般分为电视机顶盒和网络机顶盒。

＊MMDS主要技术 调制技术 MMDS系统采用的调制方式与LMDS系统相似，主要有相移键控（4PSK又称QPSK）和正 交幅度调制（4QAM、16QAM、64QAM）等。 多址技术 MMDS系统采用的调制方式与LMDS系统相似，上行多址方式为TDMA、CDMA，下行复用 方式为TMD、FDM方式等。 无线频谱规划 MMDS系统工作频段主要集中在2GHz～5GHz，我国国家无线电管理委员会规定：MMDS 的工作频段为2.535 GHz～2.599 GHz。 组网技术 MMDS系统为准视距传播，支持多扇区组网方式。一般情况下采用单基站系统、点到多点应用形式。

＊ MMDS提供的业务 MMDS技术是以视距传输为基础的图像分配传输技术，MMDS可提供模拟视频、数字视 频、双向数据传输。 支持用户终端业务、补充业务、GSM短消息业务和各种GPRS电信业务，适合于用户 分布较分散，而业务需求却不大的用户群。 语音业务：基本语音、电话业务（POTS）. IP接入业务：Internet接入和LAN互联业务； ＊LMDS技术和MMDS技术比较 MMDS与LMDS都是微波技术，视距传输。 MMDS与LMDS系统在容量上、传播距离上各有优势与劣势，MMDS的传播距离可达40km 的范围。 在业务上，MMDS系统适合于用户分布较分散、而业务需求却不大的用户业务群，而 LMDS系统则适合于用户分布集中、业务需求量大的用户群。 在成本上，MMDS低于LMDS。 MMDS所能提供的数据带宽同样与可利用的频段、采用的调制方式（QPSK、16QAM 或64QAM）和扇区数量有关。

(3)WLAN ＊技术描述 无线局域网（WLAN）是指以无线电波或红外线作为传输媒质的计算机局域网。采用 无线电或红外线作为传输媒质，无需布线即可灵活地组成可移动的局域网。无线局域网 的主要应用是作为IP接入网技术，提供高速因特网无线接入业务。 ＊系统结构 WLAN拓扑结构 无中心拓扑结构：无中心拓扑结构是最简单的对等互连结构，基于这种结构建立的 自组织型WLAN至少有两个站，各个用户站（STA）对等互连成网型结构，称为Ad hoc网 络。在每个站（STA）的计算机终端均配置无线网卡，终端可以通过无线网卡直接进行 相互通信，这些终端的集合称为基本服务集（BSS）。无中心拓扑结构WLAN的主要特点 是：无需布线，建网容易，稳定性好，但容量有限， 只适用于个人用户站之间互连通 信，不能用来开展公众无线接入业务。 有中心拓扑结构： 有中心拓扑结构是WLAN的基本结构， 至少包含一个访问接入点 （AP）作为中心站构成星型结构。有中心拓扑结构WLAN的主要特点是：无需布线，建网 容易，扩容方便，但网络稳定性差，一旦中心站点出现故障，网络将陷入瘫痪，AP的引 入增加了网络成本。

拓扑结构图 两种结构形式的拓扑结构如图1.21所示 图1.20 WLAN 两种结构形式的拓扑 控制机制 WLAN具有独特的媒体接入控制（MAC）机制，支持以下两种不同的MAC方案。 ① 分布协调功能（DCF） ② 点协调功能（PCF）

系统结构示意 WLAN系统结构可以通过图1.22加以说明。 图1.21 WLAN系统结构

＊WLAN应用的技术 扩频技术：WLAN采用的扩频技术是跳频扩频（FHSS）和直接序列扩频（DSSS）。 无线频谱规划：WLAN使用的无线传输介质是红外线和位于工业、科学、医学（ISM） 频段的无线电波。 安全技术：WLAN采用直接序列扩频技术，它将传输信号与伪随机码进行异或运算， 信号本身就有加密功能 扩展服务集标识号（ESSID） MAC地址过滤 有线对等加密（WEP） 用户认证 覆盖与天线技术：WLAN覆盖包括室外覆盖和室内覆盖。 室外覆盖：室外覆盖一般采用微蜂窝覆盖方式。 室内覆盖：室内通常要采用微蜂窝、室内分布式天线和泄漏电缆或它们之间的组合以覆盖盲区。 无线漫游技术：WLAN中的无线漫游是指在不同的无线AP(SSID)之间，用户站与新的无 线AP建立新的连接，并切断与原来无线AP连接的接续过程。

＊WLAN提供的业务 WLAN基本业务范围包括以下几个方面。 高速互联网接入  局域网互连 虚拟专网（VPN） 会议电视 从其发展角度，WLAN可以在更多领域实现更多的业务，从而得到业务扩 展，其扩展业务主要体现在： 付费电视 视频点播 网络教学 网络购物 远程医疗 IP电话/传真

能实现全球漫游，用户能在整个系统和全球漫游； 能提供多种业务，包括语音、可变速率的数据、活动视频等业务，特别是多媒体业务； （4）3G ＊主要技术特点： 能实现全球漫游，用户能在整个系统和全球漫游； 能提供多种业务，包括语音、可变速率的数据、活动视频等业务，特别是多媒体业务； 能适应多种环境，可以现有的PSTN、ISDN等通信系统来提供无缝隙的覆盖； 足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和高质量的服务。 ＊3G的主流制式 全球主流的3G制式有3种，分别为： WCDMA：WCDMA目前主要有R99、R4、R5、R6版本，目前比较成熟的是R99； CDMA2000：CDMA2000主要有1X、1X EV-DO、1X EV-DV版本，目前比较成熟的是1X和1X EV-DO。 TD-SCDMA。是我国自主研发的标准，已经在全国实现覆盖。

＊3G提供的业务 3G移动通信业务是指利用第3代移动通信网络提供的话音、数据和视频 图像等业务。3G移动通信业务的主要特征是可提供移动宽带多媒体业务，其 中高速移动环境下支持144kbit/s速率，步行和慢速移动环境下支持384kbit/s 速率，室内环境支持 2Mbit/s 速率的数据传输，并保证高可靠的服务质量 （QoS）。其业务范围主要可以分为以下5大类。 语音及语音增强业务 承载业务 补充业务 智能网业务 数据增值业务

＊系统结构 （5）FSO ＊技术描述 自由空间光通信技术（FSO）作为一种无线光通信的方式，以其高带宽、低成本、 灵活方便等优点具有其它通信方式不可比拟的优势。早在20世纪70年代光纤通信出现 以前．人们就致力于对自由空间光波通信方式的研究。自由空间光通信（Free Space Optical Communication／Free Space Optics．FSO）．或称无线光通信、无纤光通 信。自由空间光通信技术把信息调制在红外波段光载波上然后通过空气传输．光束以直 线传播．传输距离受气候条件影响．从几百米到几千米不等。因其传输媒质为空气、用 户固定、传输距离较短、较适合应用在接入网、企业网．所以通常人们把它归属于无线 固定接入技术。这种通信方式无须光纤／光缆等费时、昂贵的道路选择、管道工程铺设 及维护．因而具备无线通信方式机动灵活、实施快捷的特点．而且因其信息调制在光载 波上又使其拥有其他无线通信系统难以比拟的传输容量．同时．自由空间光通信不参与 宝贵的、拥挤的无线电频率资源的竞争。因而自由空间光通信在军事通信、链路备份某 些特定应用场合下具有竞争力。 ＊系统结构 为了更好地理解FSO技术，可以通过其简单的系统结构图来说明，如图1.23所示。 空间光学信道 电发 送机 光发 送机 光学 天线 光学 天线 光接 收机 电接 收机 图1.22 FS0系统结构示意图

＊系统说明 概括来说，自由空间激光通信系统主要包括发射接收光学天线、光发送/接收机（激 光器和光电探测器，发射、接收处理电路以及捕获、跟踪和对准子系统）和电发送/接收 等组成部分。 光源部分 由于大气性能的影响，进行激光空间通信时必须考虑激光的波长和功率等特性，因 此850nm和1550nm两个大气低损耗窗口是目前FSO首选的波长应用于FSO通信系统的激光 器主要是半导体激光器，因为这种激光器具有可直接调制且调制速率高、体积小、成本 低和可靠性高等优点。 发射与接收部分 发射与接收是自由空间光通信系统中最为重要的组成部分，图1.23光学通道左侧表 示发射部分，右侧表示接收部分。发射部分主要完成信息对半导体激光器的调制并通过 光学天线发出承载信息的激光。接收部分主要完成光电转换、放大和解调等处理。 对准、捕获和跟踪子系统 这一系统在图中没有直接表示，它包含于光发送和接收部分之中。FSO与微波等无线 通信方式不同，是近似于点对点的通信，所以发送光必须准确滴达到接收机的探测器上。 这一过程称之为对准，然后进行接收称之为捕获，调制整个通信过程中对准和捕获的动 态变化过程称之为跟踪。

＊FSO中的关键技术 精密、可靠的光束控制技术，即系统中的光学发射和接收天线。在发射端，由于半导 体激光器的光束质量一般较差， 发散角大，而且水平和垂直两个方向上的发散角不同， 因此必须进行准直调整。在接收端， 接收天线的作用是将光束收集并汇聚到探测器表面。 发射和接收天线的效率及接收天线的口径都对系统的接收功率有重要影响。 高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收技术。在自由空间光通信系统中，接收机所接收 到的信号十分微弱，同时又有高背景噪声的干扰，会导致接收端信噪比小于1。为了精确 地接收信号，通常采取的措施有：首先提高接收机的灵敏度， 为了达到纳瓦甚至皮瓦量 级，需要选择量子效率高、灵敏度好、响应速度快、噪声小的新型光电探测器； 其次对 所接收的信号进行处理，为此需采用光窄带滤波器， 如吸收滤光片、干涉滤光片和新型 原子共振滤光器等，以抑制背景杂散光的干扰， 对信号进行整形和去噪声；根据所附加 的噪声，应设计最佳的接收机以减小系统的误码。 快速、精确的ATP技术是保证实现自由空间远距离光通信的必要圣件。ATP系统通常由 两部分组成：捕获（粗跟踪）系统，它在较大视场范围内捕获目标， 捕获范围可达到正 负1℃--正负20℃或更大；跟踪、对准系统的功能是在完成目标捕获后．对目标进行对准 和实时跟踪

带宽高。传统的无线接入技术存在严重的瓶颈限制，FSO技术打破了无线接入的瓶 的气体分子、雨、雾、雪等粒子．其几何尺寸与激光波长相近甚至更小．会引起光的吸 收、散射．特别是在强湍流的情况下．光信号将受到严重干扰．引起光束漂移、扩展、 和光强闪烁等．甚至造成脱靶。因此．如何保证在随机信道下系统能正常工作．这对大 气信道的应用研究是十分重要的。自适应光学技术可以较好地解泱这一问题．并已经实 用化。 调制方式、编码方式和解调方式的选择 目前FSO系统大多采用强度调制、直接检测（IM、DD）方式。 FSO系统如果设计和运行不当，可能会由于激光特性伤害到公众，因此在此方面国 际电工委员会（IEC）制订了相关的激光源指标。 ＊FSO优缺点 带宽高。传统的无线接入技术存在严重的瓶颈限制，FSO技术打破了无线接入的瓶 颈效应，具有可以与光纤相比拟的传输带宽，目前商用的这类系统，提供的带宽2Mbps 到2.5Gbps.采用了波分复用的系统理论上可以达到160Gbps的速率。 无需申请频率 工作在300GHz以上的频段在全球是不受管制的，唯一的要求是设备功率不能超过国际 电子委员会规定的上限（IEC60825-1标准）。

抗干扰性强，保密性好 FSO的波束很窄，非可视光，夜间也无法发现，因此无法探测到链路的位置，更不存 在窃听的可能，安全保密性好。FSO很难被截取，波束定向性好（对准某一接收机）。 即使被截取，用户也会发现，因为链路被中断了。因此FSO比无线通信系统安全得多。 尤其适用于军事、金融等保密要求高的部门。 成本低，安装灵活，投资少，见效快 FSO组网便捷迅速，因为不需要埋设光纤和等侍审批等各种手续上的问题，只需在通 信点上进行设备的安装只需一天天或更短的时间即可安装和调试成功。适用于临时、应 急通信，特别适合临时性、机动性高的场所，以及特殊地形和地貌、有线方式难以实现 紧急组网、军事组网。当公司搬迁或临时驻军时，无需重新安装光纤从而节约成本。有 资料表明， FSO系统的造价仅为光纤系统的五分之一。 距离短 由于受到雨、雪、日光、大雾 、空气散射、大气瑞流对光信号的影响。FSO只能在短 距离内使用，一般限于2--4km以内。特殊情况下，如浓雾天气下信号的衰减可达到高达 400dB/km，FSO的有效传输距离不到50米。

可能受到空中障碍物影响 小鸟或冰雹、雨雪可以阻断链路 产生毫秒级的中断 ＊FSO的应用 自由空间光通信（FSO）的带宽高、部署快捷等优点和其视距传输、可用性较差等不足决定其只是在某些特定应用环境下具有应用上的优势。总结起来讲，FSO系统适用于以下应用场合： 带宽要求比较大而且有不易于敷设光缆线路的大客户接入 大型企业内部的联网 链路备份 热点覆盖 基站间互连 军事战场通信

教学内容 第二章 无源光网络的基础知识 2.2 PON的优势 2.3 光纤接入网常见结构类型 2.4 ODN中的无源光器件 第二章 无源光网络的基础知识 教学内容 2.1 无源光网络基本概念及特点 2.2 PON的优势 2.3 光纤接入网常见结构类型 2.4 ODN中的无源光器件 2.5 PON的多址接入技术 2.6 PON最坏值系统设计法

第二章 无源光网络的基础知识 2.1 无源光网络基本概念及特点 无源光网络(PON)是光接入网的主流技术之一，是共享相同网络侧接口并由光接入 第二章 无源光网络的基础知识 2.1 无源光网络基本概念及特点 无源光网络(PON)是光接入网的主流技术之一，是共享相同网络侧接口并由光接入 传输系统所支持的接入链路群。从物理连接角度上来讲，它是指在OLT(光线路终端)和 ONU(光网络单元)之间的光分配网络(ODN)没有任何有源电子设备。 它是由一个OLT、 至少一个ODN、至少一个ONU及适配设施（AF）组成。其中接入链路是指给定网络接 口（V接口）到单个用户接口（T接口）之间传输手段的总和。光分配网是由光缆、光 分/合路器、光纤连接器等无源器件构成ONU与OLT之间的光通路连接。从其组成就可 以看出，PON技术是一种点对多点的光纤传输和接人技术，下行采用广播方式，上行采 用时分多址方式，可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓扑结构，在光分支点不需要 节点设备，只需要安装一个简单的光分支器即可。因此，具有节省光缆资源、带宽资源 共享、节省机房投资、设备安全性高、建网速度快、综合建网成本低等优点。目前主要 应用的PON包括： ● APON 即基于ATM 的无源光网络（ATM—PON） ● EPON 即基于以太网的无源光网络(Ethemet—PON) ● GPON 即吉比特无源光网络。

2.2 PON的优势 PON作为一种纯介质网络，避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和 外部设备的故障率，提高了系统可靠性，同时节省了维护成本，是通信维护部门长期期 待的技术。无源光网络的优势主要体现在以下几方面： ●无源光网络设备简单，安装维护费用低，投资相对也较小。 ●无源光设备组网灵活，拓扑结构可支持树型、星型、总线型、混合型、冗余型等网络 拓扑结构。 ●安装方便，它有室内型和室外型。其室外型无源设备可直接挂在墙上，或放置于“H” 杆上，无须租用或建造机房。而有源系统需进行光电、电光转换，设备制造费用高，使 用专门的场地和机房，远端供电问题不好解决，日常维护工作量大。 ●无源光网络适用于点对多点通信，仅利用无源分光器实现光功率的分配。 ●无源光网络是纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶劣 的地区使用。 ●从技术发展角度看，无源光网络扩容比较简单，不涉及设备改造，只需设备软件升级。 硬件设备一次购买，长期使用，为光纤入户奠定了基础，使用户投资得到保证。

2.3 光纤接入网常见结构类型 依照 ITU-T G.982标准，光接入网指无源光网络系统这样的接入网。但后来人们扩 展了光接入网的概念。一般用光接入网代表采用光纤传输技术的接入网，泛指业务节点 侧与用户侧之间采用光纤传输的接入网。光纤接入网的常见结构如图2.1所示。 ONU ONU ONU OLT OLT ONU ONU ONU （a）线型 （b）环型 ONU ONU OLT ONU 复用设备 ONU OLT （c）星型 ONU ONU （d）有源树型 ONU 光分合路器 ONU OLT ONU ONU （e）无源树型 图 2.1 光纤接入网的结构类型

ITU-T G.982提出了与实现技术无关的无源光网络功能参考配置， 如图2.2所示。 ● PON的参考配置和各部分功能结构 ITU-T G.982提出了与实现技术无关的无源光网络功能参考配置， 如图2.2所示。 当时的PON主要用于提供 PSTN和ISDN窄带业务服务。G.982没有规定 PON系统的线路速 率，当时出现的PON系统线路速率一般为几十兆比特每秒。但是从1998年颁布的APON标 准G.983开始，APON、EPON、GPON标准对线路速率都做了明确规定：规定要求他们至少 达到155Mbps以上且支持宽带数据业务。相对APON之前的线路速率仅几十兆比特每秒、 支持窄带业务的“窄带”PON来说，APON以后的PON系统（包括APON）都被称作宽带PON。 S/R S/R 接入链路 网络侧 用户侧 图2.2 PON功能的参考配置

●简单作用描述 ＊OLT的作用是为光接入网提供网络侧与业务节点（对于窄带业务，业务节 点设备就是本地交换机）之间的接口， 并经一个或多个 ODN与用户侧的ONU通 信，OLT与ONU的关系为主从通信关系。OLT可以位于交换局内，也可位于远端。 ＊ODN作用是为OLT与ONU之间提供光传输手段，其主要功能是完成光信号的 功率分配任务。ODN是由光缆、无源光器件，如光连接器和光分／合路器（即 光耦合器）等组成的无源光馈线、配线网，一般呈树形分支结构。 ＊ONU的作用是为光接入网提供直接或远端的用户侧接口，处于ODN的用户 侧。其主要功能是终结来自ODN的光信号、处理光信号并为用户提供业务接口。 ＊AF作为辅助设施为ONU和用户设备提供适配功能，它可以包含在ONU内， 也可以独立存在。 2.3.1 OLT的功能结构分析 前面说了OLT位于本地交换局或远端， 它提供传送到ONU所需的各种业务 手段，它一般由核心部分（核心功能块）、业务部分（服务功能块）和公共部 分（通用功能块）组成，提供一个与ODN相连的光接口和至少一个网络业务接 口。如图2.3的OLT功能块框图所示。

图2.3 OLT功能模块图

●各功能块功能描述 ＊OLT核心功能块包括数字交叉连接、传输复用和ODN接口功能。 数字交叉 连接功能提供网络端与ODN端允许的连接；传输复用功能通过ODN的发送和接收 通道提供必要的服务，它包括复用需要送至各ONU的信息及识别各ONU送来的信 息；ODN接口功能提供光物理接口与ODN相关的一系列光纤相连， 当与ODN相连 的光纤出现故障时，OAM启动自动保护倒换功能， 通过ODN保护光纤与别的ODN 接口相连来恢复服务。 ＊OLT服务功能块提供业务端口功能，它可支持一种或若干种不同业务的服 务。换句话说就是，业务端口至少传一个ISDN基群速率，并能配置成一种业务 或者能同时支持两种或多种不同的业务。该部分还应该能提供相应手段以处理 通过OLT的信令信息。 ＊OLT通用功能块提供供电功能和操作管理与维护（OAM）功能。 OAM对OLT 的所有功能块，提供运行操作、管理和维护的手段，它也提供OAM接口功能。

ONU提供通往ODN的光接口，用于实现PON的用户接人。根据ONU放置位置的不同，无 源光网络可分为光纤到家（FTTH）、光纤到办公室（FTTO）、光纤到大楼（FTTB）及光 纤到路边（FTTC）等。它一般由核心部分(核心功能块)、业务部分（服务功能块）及公 共部分（通用功能块）组成。其功能框图如图2.4所示。 图2.4 ONU功能块框图

●各功能块功能描述 ＊ONU的核心功能块包括用户和服务复用功能、传输复用功能以及ODN接口功 能。用户和服务复用功能包括装配来自各用户的信息、分配要传输给各用户的 信息以及连接单个的服务接口功能； 传输复用功能包括分析从ODN过来的信号 并取出属于该ONU的部分以及合理地安排要发送给ODN的信息；用户和业务复用 功能实现对来自或发送给不同用户的信息进行组装和拆分，并与各种不同的业 务接口功能相连的恭能。ODN接口功能则提供一系列光物理接口功能，包括光/ 电及电/光转换。 ＊ONU服务功能块提供用户端口功能，包括提供用户服务接口并将用户信息 进行有效的适配。（将其适配到64kbps或 N×64kbps。）该功能可以提供给单 个用户或一群用户，也能按照物理接口来提供信令变换功能。 ＊ONU通用功能块提供供电功能以及系统的运行、管理和维护功能。供电功 能将外部电源转换为所要求的机内电压。OAM对ONU的所有功能块， 提供处理 操作、管理和维护的手段。

ODN位于ONU和OLT之间，它全部由无源器件构成，具有无源分配功能。ODN为ONU和 Or 图2.5 ODN通用物理结构 图中的S、R为参考点，S点是紧靠OLT或ONU光发射光源的活动连接器上的点，R是紧靠OLT或ONU光电转换器的活动链接器上的点。Or表示ONU与ODN之间的光口，Ol表示OLT或ODN之间的光接口。Om表示ODN与测试和监视设备间的光接口。ODN的主要光特性有光波长透明性；互换性；光纤兼容性。 ODN中的两个方向的光传输定义是： 下行方向：用于从OLT到ONU的信号传送。 上行方向：用于从ONU到OLT的信号传送。

对于ODN的基本要求是应能提供可靠的光缆设备，易于维护，具有纵向兼容性，具有 带状光纤、光连接器、光分路器、波分复用器、光衰减器、光滤波器和熔接头等。 2.4 ODN中的无源光器件 2.4.1 无源光器件简介及器件描述 ●简介 人们通常说光纤和光器件是光纤通信发展的两大支柱。光纤通信的发展促进了光器 件的发展，不仅促进了不断开发新的光器件，还促进了光器件水平的不断提高，同时光 器件研制水平的提高也使光纤通信得以迅速推广应用，并具有新的特点。就拿光纤连接 技术来说，在光通信发展初期，由于光纤线径很细，光纤接续较难，人们并不看好光通 信的发展。随着光纤连接技术的发展，各种光纤的自动熔接机连接两根光纤只需人工将 要接续的光纤的端面处理好，放置于熔接机中，然后通电熔接机就可以自动调整两根光 纤位置至最佳后放电熔接，并可自动显示接续情况和接头损耗。正是类似这些光纤连接 技术难题的解决大大地推动了光通信技术的发展。 通常，人们称发光、光放大和产生光电转换的光器件为有源光器件，它们是半导体 激光器、半导体发光二极管、光放大器和光电检测器等；而对于不发光、不对光放大和 不产生光电转换的光器件称为无源光器件。通常的无源光器件有；光耦合器、光纤连接 器、波分复用器、光衰减器、光开关和光调制器等。

●无源光器件的要求： 插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、 体积小、价格便 宜、便于集成等。 ●器件描述 ＊光耦合器 光耦合器是PON中至关重要的无源光器件。PON的许多优势正是由于它的无源光功率 分路、合路功能而体现出来的。我们现在将要讨论的光耦合器指在一定波长范围内对光 信号功率“耦合”实现光功率合路或分路的无源光器件，而不包括按光信号的波长进行信 号分路或合路的波分复用器。 光耦合器分类： 按照光耦合器的端口形式，光耦合器分为星形和树形两大类。输入端口数与输出端 口数相等的为星形耦合器；不相等的为树形耦合器。 在PON中经常应用的是树形耦合器 光耦合器在下行方向作光功率分路用，在上行方向作光功率合路用。如按工作带宽来分 类则分为单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器和双工作窗口的宽带耦合 器。按制作光耦合器的村料来分类的话，光耦合器主要有光纤耦合器和波导耦合器。目 前价格比较低廉、应用比较普遍的是光纤耦合器。PON的ODN中的光分／合路器也都是光 纤耦合器。

耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出， 或把多个输入的光信号组 功能： 耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出， 或把多个输入的光信号组 合成一个输出。这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和 串扰噪声耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器/解复用器。 工作原理： 目前主要通过光纤熔融拉锥的方法实现光能量的耦合。它的工作原理可用一个两 输入端口、两输出端口（通常用2x2表示，也叫X耦合器）的光纤耦合器来说明。熔融 拉锥法就是将两根光纤的一定长度区域除去涂覆层并靠拢，在高温下加热熔融，同时 向两侧拉伸，从而形成双锥体的特殊波导结构（如图2.6所示），实现光功率分路或合 路。 图2.6 熔融拉锥X型单模光纤耦合工作原理示意图

入射光功率在双锥体结构的耦合区会一部分继续在原光纤直通臂中传输出去， 而另一部分光功率则耦合至另一光纤耦合臂输出。用单模光纤做的单模光纤耦 光功率分路的原理是：由于两个光纤紧挨着且拉伸发生形变（纤芯变细） 入射光功率在双锥体结构的耦合区会一部分继续在原光纤直通臂中传输出去， 而另一部分光功率则耦合至另一光纤耦合臂输出。用单模光纤做的单模光纤耦 合器的耦合机理进一步说明如下。 单模光纤中的传导模是两个电场方向垂直的基模（HE11）。 当传导模进 入熔锥区时由于纤芯逐渐变细．归一化频率逐渐减小．根据波导传输理论会有 越来越多的光功率进入光纤包层，而耦合区两根光纤的包层是合在一起的，纤 芯又靠得很近，从而形成弱耦合。经过耦合区后，纤芯逐渐变粗，归一化频率 值重新增大，光功率又逐渐分别被限制在直通臂光纤和耦合臂光纤中传输，最 终在输出端输出。可以推导出用两根同样单模光纤制作的理想的单模耦合器在 输入侧光功率只从一根光纤（另一光纤没有输入光功率）输入且输入光功率归 一化频率为1时，直通臂光功率（Pa）和耦合臂光功率（Pb）随耦合区长度（L） 变化规律。如图2.7所示。

C为取决于光纤参数和光波长的耦合系数，它与光纤半径、两根光纤中心间距、纤芯和包层折射率等有关。 根据耦合理论得到 Pa=cos²(CL)  Pb=sin²(CL) 式中： C为取决于光纤参数和光波长的耦合系数，它与光纤半径、两根光纤中心间距、纤芯和包层折射率等有关。 L为耦合器有效作用长度。适当地控制耦合长度、拉伸速度就可控制直通臂与耦合臂的光功率比值，比如比较常见的均分光功率的情况：直通臂与耦合臂光功率比值为1:1 输入臂 直通臂 耦合臂 图2.7 直通臂、耦合臂光功率变化规律

上述光耦合器耦合光功率实现光功率分路的机理同样是光功率合路的机理。当光耦 合器作光合路器用时，两根光纤输入端均输入光功率，每个光纤的光功率均按要求的比 值直通、耦合到两臂中，所以每个输出端均有两个输入端来的光功率，从而使两路的光 功率合在一起。当输入端只需要一个而输出端两个或输入端两个而输出端只需要一个时 通常也是像2x2耦合器这样制作，只不过只引出一个输入端或输出端，另一个不用罢了。 这样耦合形式的耦合器也称作Y耦合器或1x2耦合器，因为端口是其中一端一个、另一端 两个，跟字母Y相似。采用2x2耦合器作为基本组成单元可构成星形耦合器；采用1x2或 2x2耦合器可构成树形耦合器。如图2.8和图2.9所示 图2.8 由12个2x2耦合器组成的8x8星型耦合器

1x4 1x4 2x4 1x4 1x4 图2.9 树型耦合器结构示意图 1 1 2 1--4 2 3 4 （a）1（2）X4 5--8 1 9--12 1 2 5 6 1x4 13--16 7 8 （b）1（2）X8 （c）1（2）X16 图2.9 树型耦合器结构示意图

下面我们着重介绍对实际应用非常有意义的光耦合器的性能指标。为了能够普遍适用性地说明，这里考虑用一个MxN耦合器来加以说明如图2.10。 光耦合器性能参数 下面我们着重介绍对实际应用非常有意义的光耦合器的性能指标。为了能够普遍适用性地说明，这里考虑用一个MxN耦合器来加以说明如图2.10。 P in （i） Pout（j） 图2.10 MxN光耦合器示意图 插入损耗：耦合器最重要的指标是插入损耗。我们假设计算光功率从i端口输入经光耦合器在j端输出的情况。此时我们用ILij来表示插入损耗，也就是i、j端口之间由于光耦合器的插入光功率损失。ILij定义为： P in （i） ILij=10lg （dB） Pout（j）

将输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值定义为该输出端口（j）的插入损耗 记力ILj。，数学表达式为： P in（i） ILj=10lg （dB） Pout（j） 应用ILij还是ILj来衡量由光耦合所带来光功率的损失取决于实际中所关心的问题例 如在 PON ODN下行方向光耦合器作光功率分路用， 我们关心的是一端输入进光耦合器的光功率被分路到某输出端口的光功率为多少，所以，通常用ILij这个指标；而在无源光网络PON ODN上行方向光耦合器作光功率合路用，我们关心若干端口输入进光耦合器的光功率合路到某一输出端口的光功率为多少，所以，选用ILj比较合适。 附加损耗：附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值。它用来衡量光耦合器因制作工艺而带来的光功率损失。附加损耗的数学表达式为： P in（i） ILj=10lg （dB） Pout（j）

反射／回波损耗：反射损耗也叫回波损耗（Retur Loss，RL），第i路的回波损耗用 输出端处于匹配状态 P in（i） P in（i） i RLi=10lg （dB） Pre（i） Pre（i） 图2.11 回波损耗定义示意图 回波损耗是光耦合器的重要指标之一。ODN的回波损耗就是ODN的R、S参考点处的回波损耗．它由光耦合器、光纤活动连接器的回波损耗和光通道上其他反射点引起的反射所决定．光耦合器的回波损耗对 ODN回波损耗影响很大。 为保证反射回 到发射端激光器的光功率足够小．因此在考虑波分复用传输模拟视频信号时一般要求ODN Ol(见前面图2.5)处回波损耗大于32dB，只传输数字信号时ODN回波损耗指标可适当放松些，如大于20dB。

分光比：通常我们还关心耦合器各输出端口的输出功率的比值，因此定义这个比值为 分光比。例如：理想均分x形耦合器的分光比为1：1；或者分光比用相对输出总功率的 百分比来表示，上面的1：1也就是50：50。 方向性：方向性是衡量光耦合器定向传输特性的参数。结合图 2.12， 我们来理解方 向性的定义。方向性定义是在耦合器输出端为匹配状态（无反射）时，输入侧主端口输 入的光功率与串入m端口的光功率的比值，用数学表达式可表示为： P in（i） i 输出端处于匹配状态 Dim=10lg （dB） P in（i） Pre（m） m Pre（i） 图2.12 方向性的定义

均匀性：对于要求均匀分光的光耦合器，由于制作工艺的局限，实际上各输出端口的 光功率不可能完全按着要求做到均匀分光。均匀性就是用来衡量要求均分的光耦合器的 “不均匀程度”如何的参数。定义均匀性用数学表达式可表示为： max ｛Pout（j）｝ Dim=10lg （dB） min ｛Pout（j）｝ 式中max｛Pout（j）｝表示输出最大光功率．min｛Pout（j）｝表示输出最小光功率也就是说人们用各输出端口光功率的最大变儿量来衡量光均匀的好坏。 2.5 PON的多址接入技术 由于PON采用点对多点的拓扑结构．所以必须采用点对多点多址接入协议使得众多的光网络单元（ONU）或光网络终端（ONT）来共享光线路终端（OLT）和主干光缆。下面将对各种多址接入技术进行分析比较．多路复用和多址技术是实现PON的关键技术之一，PON中的多路复用和多址技术主要有以下三种： 时分复用/时分多址接入（TDM/TDMA）、 波分复用/波分多址（WDM/WDMA）、副载波复用/副载波多址（SCM/SCMA）、码分复用/码分多址（CDM/CDMA）。如果通过分析比较我们就可以得出．采用下行时分复用（TDM）、上行时分多址（TDMA）的接入方式是目前以及未来相当长一段时间内既满足应用需求又比较经济的上下行传输方式。

2.5.1 时分多址接入 我们以树形分支结构为例说明 PON信号传输的特点,如图2.13 TDM/TDMA PON的下行和图2.14 TDM/TDMA PON的上行传输示意图所示。 ●下行传输 图2.13 TDM/TDMA PON的下行传输示意图

由图示可以看出OLT(光线路终端)位于根节点，通过ODN（光分配网）与各个ONU（光 器件。这种树形分支结构决定了各个ONU之间必须以共享媒介方式与OLT通信。 可以看出 下行方向是从 OLT到 ONU通过 TDM广播的方式发送给各个ONU信息数据，并用特定的标识 （比如：后面要将的APON用虚通道标识--VPI值、EPON用逻辑连接标识--LLID）来指示各 时隙是属于哪个ONU的。载有所有各个ONU的全部信息的光信号功率在光分路器出被分成 若干份经各个分支光纤送达各ONU。各ONU则根据相应的标识收取只属于自己的下行信息 数据（即时隙），其他时隙的信息数据则丢弃掉。 ●上行传输 图2.14 TDM/TDMA PON的上行传输示意图

上行方向是由ONU到OLT通过TDMA方式实现接入。各ONU在OLT的控制下，只 在OLT指定的时隙发送自己的信息数据。各ONU的时隙在光合路器处汇合，为了避免 数据发生冲突，PON系统还采用了测距等技术加以保障（在下一章节将讨论）。 2.5.2 波分多址接入 采用波分多址接入（Wavelength Division Multiple Access,WDMA）的PON系统 的上下行传输原理如图2.14所示。 图2.15 WDMA PON多址接入示意图

波分多址方式，为每个ONU上行提供了一条虚拟的上行通道，因此不存在定时，测距 和快速同步的问题，可以大大简化OLT和ONU设备的设计，使得技术成本降低，并且设备 稳定性好，易于维护，使用更方便。对于WDMA PON网络来说，其关键技术是密集波分复 用技术（DWDM）。尽管密集波分复用技术己经成熟并在骨干网和城域网上得到广泛的应 用，但WDMA PON的成本对于接入网环境仍显得太高。 WDMA PON的优势在于其传输容量 非常大，若如图 2.14所示那样每个波长对应一个 ONU的话，一个ONU的业务容量可达几 百兆比特每秒、几吉比特每秒甚至更高。目前无论企业用户还是居民用户都没有这么宽 的带宽需求，也无法承受其高昂的价格。所以WDMA PON的快速应用受到了一定的限制。 2.5.3 副载波多址接入 图2.16 SCMA工作原理示意图

副载波多址接入(SCMA)是利用不同频率的电载波（相对光载波来说是副载波）来 复用不同用户的信息数据流，然后这些电的副载波再去强度调制光载波，产生模拟的光 信号。根据电副载波调制光载波的方式，SCMA又分为单通道和多通道的SCMA。单通 道SCMA是指每一副载波（被要传输的用户信息数据所调制）调制一光波长的光信号强 度，而所有的被电副载波调制的光信号在光合路器处合在一起，接收端光信号由光电探 测器转换成电信号后通过中心频率为各个副载波的带通滤波器，并进一步地通过鉴相解 调出信息数据，可以看到上图2.15所示，这种单通道的SCMA可以应用于PON的上行多 址接入。 在下行方向，OLT以一定的调制技术将各基带信号调到各自对应的射频段（较窄） ，然后合成一个较宽频段的射频波信号，以此调制激光器产生的模拟光信号，送入一 条馈线光纤中，到分路器进行功率分配并广播至所有的ONU。各ONU将接收的光信号 恢复成宽带发射信号，经特定的滤波器和鉴频器挑出属于本ONU的信号。从上面所说 的工作方式来看，SCMA不需要复杂的同步技术， 不过，OLT接收的各个ONU的功率 差别较大，会引起一些难以解决的问题。 多通道的SCMA是将所有载有用户信息的电副载波在电域上合并到一起，然后去调 制一个光波长的光信号。所以，多通道SCMA适合用于PON的下行传输。影响多通道 SCMA性能的因素除了与单通道相同的散粒噪声、热噪声、光差拍噪声以及激光器强度 噪声以外，还有副载波交调失真（由半导体激光器非线性造成的失真）。

SCMA的多址接入数目不大，一般在20个ONU左右，而且每个ONU的调制速率也 不能太高，一般在几十兆比特每秒以下。与TDMA相比，SCMA的优势在于上下行各信 道在频域上彼此独立，在时域上的要求比较宽松，时延小。因此，不需要像 TDMA PON那样要求高精度的测距和上行突发接收等。但是SCMA用户接入数目受限制和其动 态带宽分配不如TDMA那样灵活。 2.5.4 码分多址接入 ●电CDMA 码分多址接入（CDMA）在光接入网中的应用按照其编解码信号是先以光的形式还 是先以电的形式进行然后再转换到光域而分为两大类：一类是光CDMA和电CDMA的光 传输。其中电CDMA可以通过图2.16 电CDMA上行多址接入原理示意图加以表示。 ONU 1 OLT LD + 1 A1码 + A1码 上行信道 ONU 光合 路器 2 2 + PD LD + A2码 A2码 ONU n + An码 n LD + An码 图2.17 电CDMA上行多址接入原理示意图

●光CDMA 光CDMA根据光传输采用的是强度调制一直接检测（Intensity Modulation－Direct Detection，IM-DD）方式还是相干调制解调方式，可分为非相干CDMA和相干CDMA。由于 光相关调制解调系统的技术难度大、应用面很窄，因而成本很高。一般只考虑非相干系 统。目前广泛应用的IM-DD系统的工作机理决定了其只能是单一极性的，因为所谓的IM- DD方式就是对强度调制的光载无线信号直接进行包络检测，也就是说强度调制信号直接 通过光电探测器即可恢复出原信号。这种单一极性就意味着CDMA码字之间的真正正交只 能通过码字之间的“1”码没有重叠来实现，这就要求编码器之间要严格同步。在一般情 况下，非相干的光CDMA只能应用准正交码，即所谓的光正交码。但是要注意到光正交的 应用会受到如下制约：为使相关特性好，光正交码的重量（“1”码的个数）必须适中.换 句话说一定要求重量不能太低，也不能太高。因为为了提高同时接入的用户数，就要求 必须是码字长度长而重量低；但是，为了避免同步要求，又要加大重量，但码字个数会 减少。所以，对于光CDMA来说，其关键就在于它的光编解码技术，目前正在走向成熟。 结论 对比上面4种多址方式：TDMA和SCMA技术成熟度高，成本相对低廉。同时，TDMA具 有动态分配带宽的灵活优势，因此PON系统大多采用这种接入方式。

2.6 PON最坏值系统设计法 与传统的有源点对点拓扑结构的光纤接入网相比，无源光网络最大的特点在于它的 ODN采用了点对多点的树形网络拓扑结构，它共享了主要部分光纤资源及OLT侧的光 收发器设备，并采用无源的光耦合器作为光分/合路部件，这样构成的物理网络就是一 种不包含有源电子器件的点到多点的网络。 优势往往和不足并存，PON的这些特点虽然使其网络具有成本低，可靠性高和升级 性好的优点，但是同时也给其光分配网络的设计带来了一定的困难。 首先，PON时间 的网络形态可以是多种多样的，即PON的点对多点的拓扑结构在实际工程中会根据OLT 和多个ONU的不同连接方式及不同的具体位置而呈现多种形态，它可以是树形的拓扑 结构，还可以是总线形、环形等多种结构；此外，在PON系统的ODN设计中还需要同 时兼顾OLT到各个ONU的所有光通路，以满足所有链路的光功率损耗及色散预算的要 求；同时，设计中还要根据实际的情况确定其无源光分／合路器的数目、位置，并确定 其分光比等。其中对位置的要求十分苛刻，它是直接影响数据传输过程中是否能够避免 冲突的一个重要因素。鉴于这种情况，就要有一种方法能够正确地估算PON系统的最大 传输距离。这就是我们下面要讨论的PON最坏值系统设计法。 2.6.1 PON最坏值系统设计法 PON最坏值系统设计法是在ITU-T最坏值法的基础之上发展而来的，所以也分为损耗 受限的最大无再生距离的估算和色散受限的最大无再生距离的估算两部分。

由于PON系统是点对多点的树形拓扑结构，其ODN中存在无源的光分／合路器，所以 ● OND损耗受限的最大、最小无再生距离 由于PON系统是点对多点的树形拓扑结构，其ODN中存在无源的光分／合路器，所以 由无源的光分／合路器件造成的功率损失，即无源光分／合路器的插入损耗，必须在确 定PON系统的最大、最小无再生距离时考虑进来。这一损耗我们统称为光通路的插入损 耗。此处我们将光通路的插入损耗定义为OLT到一个ONU的光通路上所有光分／合路器的 插入损耗IL之和。如图2.17所示，光通路j的插入损耗ILj表示OLT到ONUj的光通路上所 有光分/合路器的插入损耗之和。 ONU3 ONU1 ONU2 ... ONUi ONUk ... OLT 光耦合器1 光耦合器2 光耦合器i ONUj ... ... IL1 IL2 ILi ILj= ILk 图2.17 OLT到ONUj的光通路插入损耗

基于上图的描述，我们将系统最大无再生距离的计算公式定义如下（基于ITU-T最 坏值法中的系统公式进行完善后的计算） Psr-nAc-ILmax-Pc-Mc Lmax = Af+As/Lf ＊公式说明： Psr是系统的最大功率预算，即发射机最小发射光功率与接收机最差灵敏度的差值（dB）； Ac 是光纤活动连接器插入损耗（dB）； n 是所计算光路上光纤活动连接器的总个数； Pc 是系统的光通路功率代价（dB）； Af 是光纤的平均损耗（dB／km）； Mc 是光缆富余度（dB）； As 是再生段平均接头损耗（dB），一般取值0.1dB； Lf 是单盘光缆的盘长（km），一般取值2km； ILmax 是光通路插入损耗的最大值（dB），在这里是指OLT到各个ONU的所有光通路插入损耗中的最大值。

上述应用公式的一个优点在于，它使用光通路的插入损耗来描述OLT到ONU的光通路 上由无源光分／合路器造成的损耗，使其可以很灵活地适用于 PON的各种实际的拓扑结 构（树形、环状或总线结构），无论采用单或多个光分／合路器、分支数为多少、分光 是否均匀，都可以通过光通路的插入损耗来方便地估算出其损耗受限的最大无再生距离。 由于PON的系统设计需要兼顾OLT到各个ONU的所有光通路，这就需要在保证PON系统 中OLT到各个ONU中损耗最大的那条光通路上的ONU接收到的光功率大于其接收机的最差 灵敏度的同时，还要保证PON系统中损耗最小的光通路上的ONU接收到的光功率要小于其 接收机的饱和光功率，即PON的系统设计还要估算ODN的最小损耗限制距离Lmin，也就是最 小无再生距离。通过我们对最大无再生距离公式的理解，我们很容易得出最小无再生距 离公式，也就是将原来公式中的最大功率预算值和光通路插入损耗最大值分别用最小功 率预算值和光通路的最小损耗值来替代。这里要说明的是系统同时忽略了光缆富余度。 这样最小无再生距离公式就可以表示如下： Psrmin-nAc-ILmin-Pc Lmin = Af+As/Lf

● OND色散受限的最大无再生距离 光的传输过程势必要受到色散的影响，在PON中决定色散限制最大传输距离的因素 是在工作波长下的光纤色散系数和光源光谱特性，PON系统中ODN中的由无源光分/合路 器引入的插入损耗不会影响色散受限最大无再生距离。 我们这里提到的色散受限系统的设计方法使用了ITU-T定义的光通路功率代价概念。 ITU-T 建议G.957规定了一个通路由反射、码间干扰、模分配噪声以及激光器啁啾等因 素引起的总退化造成的功率代价允许范围为1dB以下．而对于色散值较高的系统．如10G 以系统．该功率代价可以放宽至2dB。对于ODN色散受限的最大无再生距离通常考虑两种 情况。 ＊使用多纵模激光器的PON系统色散受限的最大无再生距离 由于多纵模激光器引起的频率啁瞅对最大传输距离的影响很小，所以使用多纵模激 光器的PON系统的光通路功率代价仅需计算模式分配噪声的功率代价和码间干扰的功率 代价两项。 ＊使用单纵模激光器的PON系统色散受限的最大无再生距离 对于使用单纵模激光器的PON系统来讲，由于纵模激光器模式分配噪声很小，所以 其光通路功率代价仅需计算频率啁啾的功率代价和码间干扰的功率代价两项。

第三章 TDM/TDMA宽带无源光网络关键技术 教学内容 3.1 测距 3.2 突发接收 3.3 突发发射 3.4 MAC协议/动态带宽分配

第三章 TDM/TDMA宽带无源光网络关键技术 技术描述 通过上一章内容我们了解到了关于TDM/TDMA的相关知识， 知道了PON的优点来源于 其无源光分／合路，下行采用TDM广播方式，上行行采用TDMA时分复用方式。下行TDM广 播帧中不同时隙对应给不同ONU的信号，各ONU接收到整个广播帧后根据某些跟自己相关 的信息（帧中的时隙所携带的标志符）来判断接收属于自己的时隙。上行信道划分为不 同的时隙，各个ONU由MAC控制在特定的时隙向OLT发送数据。这样的TDMA方式决定了PON 必须解决ONU距OLT不同路径带来的测距问题、也就是事先要知道不同的ONU与OLT之间的 距离才能按着不同规定的时隙发送时隙，从而避免不同ONU信息数据的冲突。同时，PON 还要解决由于各ONU时隙信号电平大小不一样、 相位突变带来的突发接收问题以及如何 合理有效地向各ONU分配时隙的动态带宽分配问题等。这些是支撑PON系统运行的传输媒 质层关键技术。本章将阐述测距、突发接收、突发发射和媒质接入控制／动态带宽分配 等关键技术。

由于PON系统上行采用多点到点的树形拓扑、多个ONU共享主干段光纤，为了正确 3.1 测距 由于PON系统上行采用多点到点的树形拓扑、多个ONU共享主干段光纤，为了正确 安排各 ONU上行数据发送起止时刻、把各 ONU发送时隙在光合路器及光耦合器合路后 时间上互不重叠地“复用”起来，必须首先知道各ONU距OLT的时延也就是距离，不然各 个ONU到达OLT的上行传输延时差异可能造成各ONU时隙交叠，导致来自不同ONU的 时隙发生碰撞。因此PON引入了测距技术对由于物理传输机制引发的时延差异进行有效 补偿，以确保不同ONU所发出的信号能够在OLT处准确地复用在一起。下面用图来3.1 和图3.2来比较说明测距的原因。 ONU2 图3.1 上行方向时隙正常传输示意图

1 1 1 1 冲突 ONU2 1 1 突发信号 图3.2 上行方向ONU时隙重叠/冲突示意图 首先要说明的是，在下行方向，由于采用TDM的方式向下发送信息，ONU根据某些跟自己相关的信息，比如 APON中的虚通道标识（VPI）、EPON的以太网帧前导码中的逻辑链路标识 （LLID）来判断该接收哪些信息。这种传统的TDM传输方式没有时隙仲突，但是在上行方向，当来自不用 ONU的上行时隙可能同时到达PON 中的无源光分 /合路点，这样就会发生冲突。这种冲突的原因就在于不同光支路的路径长短不同而引起的。对于这种冲突 /重叠的信息， OLT是无法进行判断和提取的，这样就会引发大量的误码或同步丢失，造成系统不能正常工作。

实际应用中ONU与OLT之间的距离不可能完全相等。一般的APON系统都规定ONU到 OLT 之间的最远距离为20km，最近距离为0km。这种距离差将导致环路延时在0-200微秒之间 变化。下行方向采用OLT连续发送、ONU选择接收的方式，不会有问题；上行方向可能产 生上面所说的ONU时隙重叠。另一方面，由于环境温度的变儿和器件老化等原因， 光纤 的传输延时也会发生不断的变化，这种变化如果得不到及时的纠正，积累多了也会引起 上行时隙重叠／冲突的发生。 测距的定义：为避兔时隙重叠／冲突必须测得ONU到OLT的时延，也就相当于ONU到 OLT的距离， 根据各ONU距OLT时延情况，安排各ONU上行时隙以保证它们不重叠地复用 起来。这种测量ONU到OLT时延或者说ONU到OLT距离的过程称为测距。 测距解决重叠的思路：在MN和GPON中利用测距解决上述重叠问题的基本思路是：测量出各个ONU到OLT的信号环路延迟时间，然后为每个OUU插入一个特定的均衡时延 Td值，使所有 ONU在插入Td后的环路延迟时间（称为均衡环路延时值Teqd）都相等，其结 果类似于使每个 ONU都移到与OLT相同的逻辑距离处。此后就可以根据TDM方式来正确地 发送时隙，组成上行帧结构。测距的最终目的就是为每个 ONU提供一个合适的Td值。该 插入延时值应该能在系统的运行过程中根据环境变化而自动进行实时调整。 下图3.3表 示了有测距保证时的上行传输时序。

测距分类：根据测距进行时ONU上是否有业务运行．我们可将测距的进行过程分 Td1 Td2 ONU2 突发信号 Td3 图3.3 有测距时的上行传输 测距分类：根据测距进行时ONU上是否有业务运行．我们可将测距的进行过程分 为两类：一类称为静态测距过程。它是指测距时 ONU 没有传输用户业务。静态测 距对应的情况是系统初始安装，网络增加新的 ONU或由于故障而被停止业务ONU重新恢复运行时。另一类称为动态测距过程。动态测距是在 ONU 上有业务运行的情况下进行的，主要是为了补偿光纤线路及器件的延时特性随环境和时间变化而发生的变化，是为了保持系统保持正常工作状态而进行的测距。它是在静态测距基础上进行的一种实时性调整，贯穿系统整个运行过程。

3.1.1 测距方法介绍 前面已经说明了静态和动态测距两种形式，下面我们将针对常用的3种静态测距加 以分析。 首先我们要清楚，测距过程是在不知道ONU的位置信息情况下开始进行的， 静态测距过程可以分为两个阶段——粗测和精测。粗测用来测量ONU的大概距离，精 度一般较低，仅对ONU的插入延时做粗略调整；精测用来对ONU的距离做进一步的测 量，精确调整ONU的插入延时。 ●开窗测距法 开窗测距法也称为带内法，是PON相关标准规范采用的测距方法，一般PON系统 都遵照标准采用这种测距方法。具体方法是：当有ONU需要测距时，OLT发出指令使 所有运行中的ONU在某段时间内暂停上行业务，相当于在上行时隙内打开一个测距窗 口；同时命令被测距的ONU向上发送一个特殊的时隙信号。OLT记录从发出命令到收 到ONU的响应信号的延时，即可得到此 ONU的环路延时值 Tloop， 开窗测距法可以通 过图3.4加以说明。

图 3.4 开窗测距法示意图 均衡后的环路延时Tedp（预先设定） 测距窗口 均衡前的环路延时Tloop 测距相应信元的到达时刻 测距后信元 OLT发测距 命令的时刻 OLR时间轴 ONU时间轴 ONU响应时间 插入时延Td ONU相应时间+Td 图 3.4 开窗测距法示意图

这里假设每个 ONU响应 OLT命令的时间是固定不变的，那么将测量到的环路延时值 与预先设定的均衡环路延时值Teqd比较，即可得到此ONU应该插入的延时延Td。此后ONU 接到OLT的向上发送信息的命令不是立即响应，而是延时Td后再向上发送信息即可，此 时ONU的上行信息就不会与相邻的ONU的信息发生冲突，进而完成测距功能。由于此方法 需要占用上行带宽，为了便于和其他方法区别也称之为带内法。 优点：这种开窗测距可以采用数字计时技术来完成。数字技术成熟可靠，实现容 易。精度由测量采用的计时颗粒（最小单位）决定。如果采用bit为计时单位，则测距 精度可达正负1bit以内。由于精度高，开窗静态测距可以一次完成，没有必要分成粗测 和精测两个阶段。 缺点：由于采用在上行时隙内开窗的方法，需要占用上行带宽，因此也存在很多 缺点。首先，在对ONU的位置完全不知的情况下，测距窗口要覆盖整个系统接入范围。 当系统规定接入距离为0～20 km时，测距窗口长达200微秒。为了不丢失在测距开窗期 间到达ONU的业务，ONU必须配置大的数据缓冲器。 其次，由于测距窗口占用的时间较长，这将影响PON系统的两个重要参数——传输 延时和延时变化这两个参数的性能下降。

解决办法：在ONU安装阶段．工程上一般都要对光纤线路进行测试．得到衰减和长 度等信息为开通和日后维护使用。那么借助此时得到的光纤长度的信息就可以大大减小 开窗．从而能够克服上述缺点。 ●低幅伪随机码测距法 低幅伪随机码测距法采用扩频技术，它是针对开窗测距法对业务Qos影响较大的缺 点而提出的测距方案，它利用扩频通信能在高噪声环境下检测出信号的特点，将混合于 业务信息中的幅度极小的测距信号提取出来， 测距过程：测距时，OLT先向需测距的ONU发出测距指令；ONU收到指令后，向上发 出特定的一个幅度很小的伪随机码。由于此信号幅度很小，相对于业务数据不会产生误 判，所以测距过程中不用中断其他在ONU中运行的业务。在OLT接收端，利用相关检测的 方法，将信号到达相位提取出来从而得到ONU的环路时延。为了便于理解，我们可以通 过图3.5加以说明。图中 *Ci（t）是ONUi的地址码（伪随机码），不同的ONU的地址码不同； *Ci（t-T1）为到达OLT的信号； *Ci（t-T2）为OLT产生的与被测ONU相同码型的经相位调整后的地址码； *R(t)为Ci（t-T1）与Ci（t-T2）相关计算后的结果； *Tloop为ONU的环路时延； 首先OLT发出测距指令——启动延时记录器进行延时——Ci（t-T1）未到达时，相关 器输出R(t)达不到检测器的阀值，继续延时——当Ci（t-T1）到达且与T2变化到与T1相 同时，R(t)输出峰值，停止延时——此时根据延时记录器的结果就可得到Tloop.

图3.5 扩频测距法示意图

优点：可以在不中断ONU业务的条件下进行，从而减小ONU对数据缓冲器的需求，对业 务Qos影响可以减小。 缺点：测得的环路时延误差较大，还需要采用类似开窗法的形式进行进一步的精测， 这对测距完成时间会有不良影响。同时技术实现相对复杂，对硬件要求高，不 易实现，导致成本加大。 ●低幅低频正弦波测距 为了解决上面两种测距方法的不足之处，一种更新的方法--低幅低频正弦波测距 法被提出，由于这种方法的测距信号与业务数据信号同时存在，而在频率上占用比数据 业务低得多的低频，所以又称为带外测距法。这种测距方法分为粗测和精测两个步骤： 粗测过程 ：这是测距的第一个步骤，它是通过在OLT处对一个低幅低频的正弦波信 号的相位进行精确测量，由此获得ONU环路时延。这个正弦波信号由ONU发出，频率取决 于ONU到OLT之间的最大距离。对于最大距离为20Km的PON系统来说，信号的最大环路时 延为200微秒。此时测距用的正弦波信号的频率必须小于或等于5kHz，以保持相位和距 离间的关系不至于混淆。具体过程描述如下：

测距时，首先OLT通过OAM通道向ONU发出测距指令——ONU收到指令后，发出经数字 处理后起始相位固定的正弦波测距信号——该信号调制激光器的偏置电流（调制信号要 幅度要小于数据驱动电流）——OLT收到含有测距信号和正常工作的数据信号的混合信 号——通过高通和低通滤波器将二信号分开——测距信号在时隙之间的保护带内被取样。 （这种）采样方式可以避免数据的突发模式效应带来的干扰。采样时刻可以通过图3.6 来理解。 图3.6 粗测距采样时刻

精测过程：这是过程的第二个步骤，这一测距过程采用的是数字测量技术， OLT事 先给ONU指定一个时隙的大小标准，要求ONU在此时隙内发一个特殊的静态精确测距信号 （SFR）,该信号仅由9bit的前置码组成，被置于所分配时隙中的中间位置发往OLT。 精测过程分为两个步骤，相位调整和相位验证。具体过程可以如下描述： * 相位调整：OLT向下发送一个OAM信号，该信号中含有粗测时的结果（Tloop值）—— ONU收到后据此设置好自己的延时——ONU收到发送许可后，在规定的时隙内发送一个精 测信号（SFR)给OLT,——OLT检测SFR的到达相位并与预分配的时隙作比较得出精确相位 差，这种相位差采用数字计数技术来测量精度可达1bit。 * 相位验证：相位验证用来验证SFR信号是否真的在预分配时隙的中间。因为如果不 在中间的话，或者说出现相位不准的情况，势必带来下一步的误码，这样就很难实现准 确的采样，从而导致测距信号难以提取，同时会因此造成信号冲突。如果验证成功， ONU就可以正常投入工作状态。其余的由光线和电子器件等硬件产生的延时变化可以通 过动态测距过程来纠正。 优缺点：粗测只有接收机会对测距信号产生影响，因此采用数字信号处理技术可以 很精确地测得测距信号相位。采用带外测距信号测距过程不中断ONU业务，不需要加大 数据缓冲器，对业务Qos影响小。缺点在于采用模拟相位测量技术，实现复杂，成本高 两个步骤加大了测距完成时间。

3.1.2 测距方法比较 开窗测距法 开窗测距法采用成熟的数字计时技术，技术实现容易，成本较低；测量精度高（可 达1bit）；静态测距一步完成，测距完成时间短，便于ONU很快投入运行，尤其是在系 统发生倒换时。这是目前应用较成熟、最常用的一种测距技术。 但是，开窗测距需要在一定时间内中断运行中的ONU的业务，使ONU需要大的数据缓 冲器，这在一定程度上增加了系统成本，而且也会对业务的QOS产生较大影响，尤其是 在测距窗口需要开得较大时。但实际应用中，ODN敷设完工后都要使用光时域反射计（ OTDR）对光纤线路长度进行测量，一般测量精度可达几米到几十米的精度，这样己知 ONU的大致距离，可大大缩小开窗的大小，能够克服对业务QoS的影响等。 低幅伪随机码测距法 低幅伪随机码测距法采用扩频技术，粗测过程不用中断运行中的业务，可以减小测 距对业务Qos的影响。但是粗测精度相对较低，需要开较大窗口进行精测，这就将影响 业务Qos，并且技术相对复杂，对硬件要求高，实现难度大、成本高；分成2阶段测距还 加大了测距完成时间，不利于系统切换恢复。

低幅低频正弦波测距采用模拟相位测量技术，粗测过程不用中断运行中的业务，粗 低幅低频正弦波测距 低幅低频正弦波测距采用模拟相位测量技术，粗测过程不用中断运行中的业务，粗 测精度较高（相对伪随机码测距中的粗测而言），测距对业务Qos的影响很小。但是这 种模拟测量技术不如数字计时技术成熟，过程相对复杂，实现难度较大，成本相对高， 同样是采用两个阶段完成，测距时间较长，同样不利于切换时的系统恢复。 三种测距方法可以通过下表直观地看出： 方案名称 对QoS的影响 技术复杂度 实现成本 完成时间 开窗法 大，但可克服 低 短 小 伪随机码法 大 中 高 长 较大 低幅正弦波法 小 较高 长 综上比较可以看出，在有OTDR预先测得ONU距OLT大致距离的前提下，采用开窗测距法是首选方案。

3.2 突发接收 下面我们研究TDM/TDMA宽带无源光网络涉及的第二个关键技术。我们前面已经说 过由于各ONU到OLT之间的距离不同会产生时延，需要由测距的方法来参与解决，就 是说在发送端插入延时，调整时延以达到同步的要求。但是在PON上下行传输的过程 中，并不是完全理想状态的连续模式下的传输。换一种方式来描述就是：ONU到 OLT 路径不同，而且各 ONU的激光器的输出光功率也不同，造成各ONU突发时隙信号到达 OLT接收端时，光功率电平差别很大。对于连续模式下来说，虽然接收端光功率也可能 变化，但这种变化是连续的，而且变化得很慢，近似为直流。所以理想情况下，光接 收机的自动增益控制电路较易控制主放大器增益，使进入判决器的信号电平保持不变。 但是，在实际应用中PON上行信号的接收则不是这样，接收到的光信号功率是突变的。 同时ONU发送的时隙之间也可能有相位突变，而且突变过程中的相位突变不是比特周 期的整数倍，OLT侧接收到的信号流为近似连续时隙流，所以上行传输不是连续模式， 而是突发方式，这就要求采用突发接收和突发同步技术来解决光功率突变和相位突变的 问题。为了更好地理解这一点，我们可以通过图3.7 PON的上下行传输示意图和图3.8 OLT侧的突发模式接收示意图加以比较说明。

图3.7 PON的上下行传输示意图 图3.8 OLT侧的突发模式接收示意图

3.2.1 快速判决电平调整实现突发接收 前面我们提到要通过突发接收和突发同步技术来解决光功率突变和相位突变问题， 那么如何理解突发接收和突发同步呢？ PON的各ONU到OLT光纤路径不同，因此对光功率的衰减也就不同，而且ONU 光发射机发射光功率也不一致，不同ONU上行突发信号到达OLT接收端时，光功率差 别很大，并且是快速变化的，称为突变。所以为了能正确判决各ONU的信号必须进行 针对各ONU信号电平的大小进行快速判决电平调整。突发接收可以通过DC耦合的突 发模式接收机或AC耦合的突发模式接收机来实现。DC耦合突发接收的基本思想是通过 峰值检测使判决电平自动适应峰值的变化。AC耦合接收机的基本思想是固定阀值电平， 对接收的信号进行整形。还有一种解决功率突变问题的方式就是改变ONU的发射功率， 使各个ONU上行数据到达OLT时的功率相同。从而达到相同的接收目的。 3.2.2 突发同步 同步是为了正确地接收，所以说突发同步也属于突发接收的层次。 大家都知道在 PON中，ONU向OLT发送的信号以TDMA方式共享上行信道。与传统点对点连续通信 方式不同，PON上行为多点对一点的突发通信方式。前面研究的测距能够保证不同ONU 发送的信元在OLT端互不碰撞，但测距精度有限，比方说对于APON，G.983规定为正 负2bit。 这样OLT端接收到的数据流为近似连续的数据流，不同ONU发送的信号之间有 几比特的保护时间。不同ONU发送信号之间有相位突变。

由于OLT接收到各ONU时隙之间的保护时间并不是比特时钟周期的整倍数。这使传统 的采用锁相环（PLL）恢复时钟的方式无法在突发方式中应用。因为如果采用PLL，当相 位突变时重新锁定需要一定的时间，而突发同步必须在信号时隙前面的很短的物理层开 销内实现。这种物理层开销是为实现突发接收突发同步而设置的，不载有ONU与OLT之间 要通信的信息。所以为了最大限度地利用带宽，物理层开销越短越好，但物理层开销越 短，解决问题的时限越少，突发接收突发同步就越难实现。从通用角度上考虑，APON标 准G.983规定物理层开销一共3个字节用于突发接收。这对于锁相环来说是无法在这么短 的时间实现相位锁定，因而不适于在突发方式中采用。这样就有了新的解决突发同步方 式的产生。 关键字检测法：OLT接收到突发信号——经O／E转换为电信号——用多相时钟对关键 字抽样——根据抽样信号与关键字的相关结果选择最优时钟——用最优时钟对数据部分 抽样。通常选择突发同步关键字为11100101，字节同步关键字为00011000.关键字检测 突发同步原理可以通过图3.12基于多相时钟的突发同步器加以说明。

图3.12 基于多相时钟的突发同步器

如图所示，关键字检测突发同步原理图，主要是由多相时钟和相位校准、相关器、 选择器等组成。由多相时钟发生器产生多相时钟，多相时钟的最大相位差为360̊，同时 根据各路时钟相位与主时钟相位的关系．分别进行一定的延时．使抽样后的各路数据都 与主时钟同。经各相时钟抽样后的数据进入相关器．相关器把抽样的数据与关键字比较 的结果传给选择器，选择器根据各路数据的相关结果选择出其中与关键字最相关的一 路，那么这路时钟的相位就是与该物理层开销所在时隙同步的．从而达到了突发同步的 目的。 门控振荡器法：振荡系统包括3个振荡器。A、B用于同步输入信号，C用于控制A．B。 A．B输出的方波频率要和输入频率一致。每一个振荡器随信号变化开启或关断．从而 和输入信号达到同步。如果振荡器输出频率和输入信号频率一致的话，即使信号有长的 连“0”或长的连“1”也可以保持同步。为了使A、B振荡器达到一致，可以采用自动调谐的 方式．引入一个主振C使其连续运转,并用锁相环使它与外部参考频率保持一致。门控振 荡器法原理图可见图3.13。

图3.13 门控振荡器法原理图

3.3 突发发射 从PON上行采用TDMA复用方式我们可以理解到，它的上行信道会被划分为不同的时 隙，各个ONU由MAC协议控制在特定的时隙向OLT发送数据，那么为了使不同的ONU数据在 公共信道上不产生冲突，那么就要求某个ONU在发送数据时，其他的ONU的激光器应当处 于关断状态。同时，因为PON系统通常具有众多的ONU（一般为16个或以上，可以认为 ONU数越多PON的优势越大，成本越低），如果在某ONU（假设ONU N）发送数据的时隙里 其他ONU激光器不关断．那么其他ONU激光器在直流偏置下仍有光功率输出．虽然功率很 小，但由于ONU数目多．到光合路器合起来后对ONU 的数据就会形成相当大的噪声。 因此，对于TDMA PON系统，ONU工作在突发发射方式，只有在属于本 ONU的时隙内 才允许有光功率输出，在其他时隙光输出功率应为零，即完全关断。 3.4 MAC协议/动态带宽分配 在上面我们讲突发发射时曾提到“各个ONU由MAC协议控制在特定的时隙向OLT发送数 据”，这里的MAC协议和我们熟知的局域网中的MAC协议有着很大的区别，下面我们就将 系统地研究PON中的MAC协议/动态带宽分配。

●协议描述 无源光网络是一种共享媒质的网络，ONU（可以理解为用户）通过公共信道或媒质 （ODN和主干光网）与OLT通信并通过OLT访问各种业务。这样的共享的网络势必要去在 一个特定时间段中只能被一个特定的用户占用来传输这个用户自己的信息，因此就产生 了一个关于媒质/信道的合理访问和使用问题。PON系统的多个ONU到OLT的数据传输是基 于TDMA原理的，即多个ONU分时占用上行信道。ONU从下行比特流提取OLT的时钟信息从 而与OLT同步；OLT对各个ONU测距得知它们到OLT的时延，OLT发送授权（OLT至ONU方向） 给ONU，指示ONU的上行发送时刻和发送持续时间的长短，保证多个ONU发送出的时隙互 不碰撞，也就是说多个ONU通过时分复用共享上行的信道。在OLT为保证多个ONU的上行 时隙不碰撞同时实现多址（多个ONU）接入而授权ONU上行发送时刻和时隙大小时，也就 是决定了ONU上行带宽的分配，因为时隙的大小就对应带宽的多少。多址接入控（Media Access Control，MAC）就是为了解决在共享媒质网络里如何防止共享带宽的用户之间 的信息相互干扰而采取的一种媒质接入控制机制。TDMA PON系统的一个优势就在于这种 必需的多址接入控制非常方便于同时实现动态带宽控制。 TDMA PON的MAC协议就是负责 规定ONU在什么时刻开始发送数据信息、在什么时刻停止发送，以使各ONU发送的数据不 冲突，而且各ONU获得的发送时间长短又是合理的。因为各ONU的发送速率都是一致的， 发送时间的长短或者说发送时隙的大小对应的就是带宽多少。因此动态的MAC协议实际 上也就是带宽动态分配的协议，所以动态MAC协议也可称作动态带宽分配（DBA协议）。

在业界，人们对这一协议的称谓在理解上是有一点区别的，虽然是同一个协议同样 的结果。人们通常用MAC协议称谓来侧重对PON共享媒质的接入控制，用DBA算法称谓来 强调在共享媒质接入控制基础之上的带宽分配策略。所谓动态带宽控制就是根据ONU的 需求情况，OLT实时地改变授权给ONU的时隙大小（带宽多少）。所谓“实时”在APON、 GPON中就是可以做到每帧（APON 153微秒， GPON 125微秒）改变各ONU授权的多少；在 EPON中一般是 ms量级（轮询所有ONU的周期）的时间改变授权。动态带宽分配可充分 利用带宽资源有效承载突发性很强的数据业务．提高公共信道的利用率．减少传输中的 时延．提高网络的吞吐量．并保证网络的性能和业务质量。 因为上行多址接入控制与上行动态带宽分配必须同步施行，这样才能保证合理分配 带宽的前提下实现无冲突传输。人们通常将实现上行带宽的动态分配作为重点。实际上 讲，虽然我们这里没有把下行带宽作为重点来讲， 大家只是通过课程了解到下行采用 TDM方式传输，其实下行的带宽分配用样是动态的，也同样具有承载突发性强的数据业 务能力以及保证Qos等优势。上下行动态带宽分配的基本原理是一样的．只不过下行的 动态带宽分配要比上行容易些．因为决定授权的OLT知道下行带宽的需求，不像上下那 样，ONU事先要把需求报到OLT。我们这里将要重点分析上行动态带宽分配。

●上行带宽分配机制（SBA） 静态带宽分配：SBA对带宽采取固定配置方式，系统按着各个ONU预定的带宽进 行初始配置．运行期间其值保持不变。在这样的情况下若为保证传输性能以各 ONU的 峰值速率为基准分配带宽．则整个系统带宽很快就被耗尽．因各 ONU的数据流住住不 是同时处于峰值速率而导致整个系统带宽没有被充分利用．系统资源利用率大大降低。 动态带宽分配：动态带宽分配对带宽采取实时调度方式，系统按照ONU实时上报的 请求或OLT监测到的ONU带宽需求统一安排，动态调整授权给ONU的带宽值。 优缺点：举例来说：根据统计．大多数用户通常只有 10％的时间是在线的．通过 动态分配带的话，在线用户可得到10倍于静态分配的带宽．因此使PON的性价比更高。 若以数据的平均速率为基准分配带宽．常常会出现当某些ONU有大的突发数据分组到 来时．数据不能及时发送出去，从而导致数据的丢包率和时延增加；而另外一些ONU 的数据流量却小于平均速率，系统资源没有被充分利用。由此可见当PON承载突发性 很强的数据业务时，静态带宽分配的效率是比较低的。因此动态带宽分配更能够体现 ONU的实时带宽需求，从而充分利用系统资源，同时改善时延等性能。

用户对带宽需求的差异 从网络发展的角度，大家都能够理解为了提高网络的利用率应当更多地着眼于如何 进行动态带宽分配，而从实际应用的角度来看，高的带宽利用率仅仅是DBA设计需要考 虑的一个方面。作为电信运营商的PON网络，它不仅要有高的系统资源利用率，同时还 要能够公平地管理、 控制各用户（ONU）的带宽。 因为PON系统服务于不同用户时， 很可能用户的需求是多样的。多样性需求的一个重要表现就是不同的ONU对带宽的要求 不同。一般地，用户根据需求与运营商签定合约购买带宽。公平的DBA应该能够根据合 约情况进行带宽分配，付费越多得到的带宽越多。由于PON一般要承载汇聚多业务信号 这给MAC／ DBA提出更高的要求：MAC/DBA协议不但保证来自不同ONU的接入信息 互不干扰，网络带宽利用率高，而且要区分业务等级避兔在这种共享媒质网络里业务 Qos所受到的不良影响。因此PON系统的媒质接入控制、动态带宽分配机制是PON系统 中所不可缺少的。 APON、GPON、EPON系统的DBA的基本思相是相同的，下面着重阐述动态带宽分 配协议所要考虑的原则性问题。

●动态带宽分配协议基本原则 前面提到PON的MAC和局域网的MAC区别很大，现在我们在讨论基本原则之前首先对 二者做一些对比。局域网是一种典型的共享媒质的网络，MAC处于物理层和逻辑链路控 制子层之间。常见的局域网一般采用CSMA/CD的以太网和Token Ring的令牌环网。我们 之所以说PON的MAC与LAN的MAC不同，首先两种网络的拓扑结构就不同。局域网的拓扑以 总线和环状网居多，而PON的是树形分支结构，它的上下行传输方向是分离的，这就需 要不同的接入控制方式分别对上下行信息流进行处理。在下行方向由于是以广播方式自 OLT发送到所有的ONU，不需要MAC协议；而上行是把不同的ONU的信息经共享光纤发送给 单一的OLT,这就必须需要MAC来实现多址接入控制。其次，常见的LAN是分布式系统，而 PON是集中式系统。这种系统它无法实现载波侦听多路访问/冲突检测的机制。因为一个 ONU不能直接检测到其他ONU的发送情况，ONU之间必须通过OLT来进行通信，只有OLT才 了解所有ONU的情况。同样令牌访问也不适用PON，因为ONU之间的间接通信方式会导致 大量的时间用来传送令牌。 基于MAC的一般功能和基于PON网络的特殊性，无源光网络 对MAC/DBA提出的原则性要求主要体现在一下几个方面：

原则一：高效率。为了在PON这种共享媒质网络里体现多ONU业务流的统计复用的特 点， 要求MAC／DBA能高效地动态分配网络资源， 在总带宽受限情况下尽量满足每个 用户的带宽需求。 原则二：公平分配带宽。PON系统的众多用户不可能对带宽需求和QoS要求都是一样 的。因此，用户与运营商的合约就会不同。公平地为用户服务就是根据用户与运营商的 合约来决定保证用户的带宽大小、QoS指标等。 原则三：区分业务， 保证QoS。多业务综合接入是发展趋势， PON作为面向未来生 命力长久的接入技术必须支持多业务同时接入并保证不同业务的不同QoS要求。 原则四：适于OLT集中控制。PON系统的拓扑结构决定了不允许ONU之间直接通信， OLT掌握所有ONU的信息便于以全体ONU的带宽请求情况动态地分配带宽；而且从降 低系统成本的角度考虑，因PON是一个OLT支持十几个ONU（如1:16），适宜尽量减 小ONU的技术实现复杂度以降低系统总成本； 因此MAC/ DBA协议应尽量放在OLT侧 来实施，减少ONU的参与。 ●动态带宽分配协议性能的判定 制定的MAC/DBA协议是否合理是需要多方面考虑的，因为若尽管某种MAC协议能 完成接入控制功能，但这却是以牺牲整个系统的QoS和占有相当多的带宽为代价，那么 它就是不可取的。评价 MAC／DBA的性能指标主要有：时延、时延变化、带宽利用率、 公平性和丢包率以及协议的鲁棒性等。

带宽利用率：是指PON网络实际用来传输数据的带宽与网络可用来传输数据的带宽的 比值。DBA的目的就是有效承载流量比例大而且仍在增加的数据业务，以提高带宽利用 率，或者说是资源利用率。 公平性因子：是用来评价DBA带宽分配的公平程度。 丢包率：丢包率是数据业务质量的重要指标。一般指系统因队列溢出、链路传输出错 等原因丢失的数据包／分组数与进入系统的总数据包／分组数之比。MAC协议／DBA算法 的好坏对丢包率有直接影响。 时延和时延变化：对于时延敏感业务，时延和时延抖动大是不能接受的。DBA的引入 应该保证时延、时延抖动指标满足要求。 协议鲁棒性的保证：所谓协议的鲁棒性是指一个系统或一个组件在无效数据输入或者 在高强度输入环境下，其各项功能可保持正确运行的程度。因此DBA协议的设计还要考 虑在非理性情况下仍能正常工作。 ●DBA功能 提供OLT和／或ONU检测带宽需求情况或者说拥塞状况； 报告带宽请求／拥塞状况给OLT； OLT根据带宽请求和合约情况更新带宽分配； OLT根据更新后的带宽发布授权。

第四章 基于ATM的宽带无源光网络 教学内容 4.1 APON技术标准 4.2 APON在接入网中的应用 4.3 APON的分层结构

第四章 基于ATM的宽带无源光网络 基于ATM技术的无源光网络（简称ATM PON或APON）结合了PON和ATM技术两 者的优点。但由于ATM技术较复杂、承载IP业务效率不高等原因使其成本较高，因此目 前ATM技术在我国城域网中的应用并不是主流。从技术的预测来看，预测总是和技术的 发展有所变化。早在2006年，业界大多数人预计在我国EPON和GPON将得到规模化应 用，并成为我国PON发展的主流。但是随着用户的需求不断增加，推动了技术的发展和 不断更新，下一代PON技术已经被提出并逐步被人们所接受，它的终极发展的认定已经 不再是EPON和GPON，而是WDM-PON、WDM/TDM混合PON、 PON/ROF汇聚、 Long-Reach PON等等。 但是无论哪一种PON， 都是从基础PON发展起来的，原则 上讲， 其基础理论是一致的，都是从APON技术基础上演化而来的，因此我们有必要从 PON的最早规模应用的APON加以阐释。ATM PON除具有PON的优点外还具有以下优 点：多比特率业务支持能力；QoS保证；端到端连接的操作维护能力；适合与ATM城 域网汇聚层衔接；PON的带宽动态分配与ATM的统计复用的结合使网络资源利用率高。

第四章 基于ATM的宽带无源光网络 4.1 APON技术标准 ●G.983.1建议： ITU-T于1998年10月通过，该建议提出下行和上行通信分别采用TDM和TDMA方式 来实现用户对同一光纤带宽的共享。同时，主要规定标称线路速率、光网络要求、 网络分层结构、物理媒质层要求、会聚层要求、测距方法和传输性能要求等,定义 了上下行的帧结构。 ●G.983.2建议： 1999年ITU-T推出，即APON的光网络终端(OpticalNetworkTerminal,ONT)管理 和控制接口规范，目标是实现不同OLT和ONU之间的多厂商互通，规定了与协议无关 的管理信息库被管实体、OLT和ONU之间信息交互模型、ONU管理和控制通道以及协 议和消息定义等。该建议主要从网络管理和信息模型上对APON系统进行定义，以使 不同厂商的设备实现互操作。

4.2 APON在接入网中的应用 第一章我们已经了解了多种接入技术，包括xDSL、“HFC+Cable Modem”、电力线载波宽带接入、无线宽带接入以及“FTTB+LAN”等等，但是从有线角度具有发展潜力的当属光纤加LAN的方式，APON可以很好地支持和应用于这种接入网络，但是不同的应用场合所支持的业务有所不同。 ●在FTTC/B的情况下支持的业务 非对称宽带业务（如数字广播业务，VOD 。Interner等） 对称宽带业务（如中小企事业用户的电信业务、电子商务等） xDSL延伸 专线 POTS和ISDN ●在FTTH的情况下支持的业务 对称宽带业务（可以具体到文件交互，远程教育，远程诊断，在线游戏等）

4.3 APON的分层结构 APON网络分层结构可以通过图4.1来描述 通 道 层 适配层 传 输 汇 传 聚 输 层 媒 质 层 物理 通 道 层 遵照ITU-T 1.732 传 输 媒 质 层 适配层 遵照ITU-T 1.732 传 输 汇 聚 层 PON 传 输 层 测距 时隙/带宽分配 私密性和安全性 帧定位和突发同步 比特/字节同步 物理 媒质 层 电/光适配 波分复用 光纤连接 图4.1 APON分层结构

● 通道层：相当于ATM中的虚通道VP ● 传输媒质层：分为传输汇聚（子）层TC和物理媒质（子）层PM ● TC层：相当于B-ISDN中的传输汇聚层，它可分为适配（子）层和PON传输（子） 层 ● PM层：完成E/O或O/E转换，单纤双向传输时完成WDM功能。 4.4 APON的功能结构 APON的功能结构从功能模块的层次上来说与 G .982所规范的 PON是一样的也 是由核心部分、业务部分和公共部分组成。但 G .982只规范与实现技术无关的无源 光网络功能，而且只考虑PON的业务应用主要是面向PSTN和ISDN等窄带业务（通 常也把APON之前的PON称为窄带PON），所以APON各功能模块的具体要求与 G.982的规定是有所不同的。下面我们将具体说明APON各部分的功能。 ● OLT的功能结构 OLT一方面将承载各种业务的信号在局端进行汇聚，按照一定的信号格式送入接 入网络以便向终端用户传输； 另一方面将来自终端用户的信号按照业务类型分别送 入各种业务网中。它分为三个部分如图4.2 APON OLT的功能结构图所示。

业务部分 核心部分 公共部分 OAM 核心网 V5.x/VB接口 图4.2 APON OLT的功能结构 业务端口功能 业务端口功能 电源 ODN 接口 功能 业务部分 ATM 数字 交叉 连接 功能 核心部分 业务端口功能 传输 复用/解复用 功能 ODN 接口 功能 核心网 业务端口功能 V5.x/VB接口 电源 OAM 公共部分 图4.2 APON OLT的功能结构

OLT ODN接口功能：包括光电变换，从上行帧中提取 ATM信元和向下行帧中插入 OLT复用功能：提供业务接口与ODN接口间的VP连接，不同的业务使用不同的VP 通道，各种各样的用户数据、信令和ATM OAM信息流使用VP通道中的VC通道进行交 叉连接。 OLT业务端口功能连接业务节点和接入网，它负责从来自于业务节点的下行SDH 帧的净荷中提取属于本接入网的ATM信元，以及向上行SDH帧的净荷中插入来自于本 接入网的ATM信元。这部分功能应做必要的主备用保护，因此它还要有保护倒换的功能。 OLT公共部分负责 OLT的供电和提供 OAM功能。 ● ONU的功能结构 ONU作为用户侧设备，用来通过PON终结从OLT传送来的业务，与OLT配合，ONU 可以完成向相连用户提供各种宽带业务，它作为FTTx应用的用户侧设备，是铜缆时代 过渡到光纤时代所必备的高带宽，高性价比的终端设备，它的功能也同样分为三个部分 如图4.3所示的APON ONU的功能结构。

业务部分 核心部分 公共部分 图4.3 APON ONU的功能结构 用户端口功能 用户 ODN 用户端口功能 电源 管理 ODN 接口 功能 用户和业务复用/解复用 功能 用户端口功能 传输 复用/解复用 功能 用户 ODN 用户端口功能 电源 管理 公共部分 图4.3 APON ONU的功能结构

ONU ODN接口功能：在实现下行帧同步的基础上，从下行帧中提取 ATM信元和向上 过复用器送到ODN接口上，所以多个VP连接可以很有效地共享同一上行带宽。 ONU用户端口功能：用来连接用户终端和接入网，它负责从下行帧的净荷中提取相应 终端的ATM信元，以及向上行帧的净荷中插入来自于该终端的ATM信元。 ONU公共部分：负责ONU的供电和提供OAM功能。 ● ODN的功能和光接口 前面已经探讨过PON的ODN功能，对于PON来说，对ODN的基本要求主要体现在 应能提供可靠的光缆设备，易于维护，具有纵向兼容性，具有可靠的网络结构，具有很 大的传输容量和较高有效性。在我们这里讨论的APON ODN的功能具体地描述就是要 为ONU和OLT的物理连接提供光传输媒质。APON标准定义了Oru、Ord、Olu和Old四种 光接口，如图4.4所示。其中，Oru、Ord为ONU与ODN之间的R/S参考点的上、下行光 接口；Olu和Old为OLT与ODN之间R/S参考点的上、下行光接口。

ONU1 ODN OLT ONUn Oru Ord Olu Old 图4.4 APON ODN 物理配置和光接口 R、S----参考点 S/R ONU1 ODN Ord Oru OLT ONUn Oru Ord Olu Old R、S----参考点 Oru Ord、Olu Old-----光接口 光纤 可选的保护光纤 图4.4 APON ODN 物理配置和光接口

4.5 APON层次要求及特征 4.5.1 APON PMD层的要求 ●数字信号速率 ITU-T G. 983.1标准规定APON的标称线路速率（下行／上行）为： 155.52Mbps／155.52 Mbps 622.08Mbps／155.52 Mbps 622.08Mbps／622.08 Mbps 1244.16Mbps／155.52Mbps 1244.16Mbps／622.08Mbps ●物理媒质和传输方式 传输介质： G. 652光纤 传输方向：上行／下行 传输方式：单根光纤中的双向传输采用WDM技术；也可在两根光纤中采用单向传输。 ●传输距离和分支比 目标传输距离20km，支持 1：16和 1：32分支比。

●线路编码 上下行均为NRZ码。 ●工作波长 ITU-T G. 983.1规定单光纤 APON系统上行工作波长为 1260～ 1360 nm，下行为 1480～ 1580nm；双纤系统上下行均为1260～ 1360nm。 但2001年颁布的ITU-TG.983.2对先前的G.983.1中APON工作波长规定做了进一步限 制以通过 WDM提供增强性业务．具体规定为： 上行方向：单光纤系统1480～ 1500nm；双光纤系统1260～ 1360nm； 下行方向：1260～ 1360nm； ●Oru和Old处的光发射机要求 G.983.1对发射源类型、光谱特性和平均发射功率等等指标做了相关要求。 ●Olu和Ord处的光接收机要求 G.983.1对接收机的最小灵敏度、最小过载、最大光路径损耗等等做了相关要求。 ●Oru/Old和Olu/Ord间的光路要求 G.983.1对衰减范围、参考点R／S处光缆设备（包括所有连接器）的最小光回路损耗、S/R点间的最大离散反射系数和色散等也做出了要求。

4.5.2 APON TC层 ●对传输汇聚层（TC）的要求 负责OLT和多个ONU之间上下行方向ATM信元的正确传输，这一层采用测距技术避免上行信号发生碰撞，使用搅动功能实现下行功能保密，使用口令认证保证通信安全，采用授权方式进行上行带宽动态分配。 ●APON TC帧结构 下面我们将结合图4.5 ；图4.6；图4.7来分析APON TC的帧结构。 图4.5 1.55.52Mbps APON上下行TC帧结构

图4.6下行622.08Mbps、上行155.52Mbps不对称的APON TC的帧结构

图4.5 为1.55.52Mbps APON上下行TC帧结构，由图示可以看出，它的下行由 54个53字节的纯ATM信元（是指绝大部分ATM信元用以承载业务信息，少量承载 ATM层的OAM信息）和2个53字节的下行PLOAM信元（承载物理层OAM信息）组成。上行是由53个56字节的“长的信元时隙”组成，这些时隙由53字节的ATM信元（或者上行PLOAM信元或者用于报告带宽请求的分割时隙）和3字节的上行物理开销组成。上下行帧长都是152.7微秒，这显然和SDH、PDH的帧结构不同（SDH和 PDH的帧长为125微秒）。这使得APON承载TDM业务必须通过AAL1或AAL2适配，技术复杂，成本比较大。因此这点也限制了APON的应用。同样，图4.6和4.7分别表示了下行622.08Mbps、上行155.52Mbps不对称的APON TC的帧结构和上下行都是622.08Mbps对称的APON TC的帧结构。 ●APON TC层功能描述 APON传输媒质层OAM APON的传输媒质层（包括物理媒质层和传输汇聚层两个子层）和通道层都要 提供相关的OAM功能。因APON通道层遵循ATM协议，其OAM也是遵循已颁布实施的 ATM OAM规范， APON传输媒质层OAM信息以及TC层带宽分配、测距等信息的传输是通过PLOAM信元来传输的。

APON的时隙/带宽分配 PLOAM里的授权主要用于控制各ONU在上行哪个时隙接入以及可接入的时隙类型。可 接入的时隙类型共有3种．一是ATM数据信元（它占上行时隙的绝大部分）；二是用于 传输媒质层运行维护管理的PLOAM信元；三是分割时隙它用于各ONU上报其带宽请求。 从而实现带宽分配，分割时隙的结构如图4.8所示. 图4.8 分割时隙格式

分割时隙实现带宽分配说明： 分割时隙占据一个上行时隙，它由许多微时隙组成（见上图4.8），每个微时隙供 一个ONU使用，MAC协议使用他们把ONU排队等待发送的信息传送给OLT,以便实现带 宽的动态分配。 4.6 APON的安全性保障 搅动加密：由于PON把下行信号广播式地传送给与此相连接的所有ONU，ONU为了使自己的信息不被其他ONU读懂，要求OLT在发送它的数据前按每个ONU自己提供的密码（搅动键）在TC层进行搅动加密。同时为了防止窃听者逐个试探解密，还需要对搅动键定时更新，每个ONU更新频率至少每秒1次。 高层密钥：在更高级别安全角度上考虑，可以在搅动加密的基础上在高层使用适当的密钥对数据进行扰码。 验证：因为所有ONU的序号可以从测距期间下行传输的PLOAM信元中提取，所以 恶意用户可以冒充另一个ONU用户窃听POLAM信元来提取所有的序号。为此ONU 要预先向OLT注册密码（password），并得到OLT的确认，该密码只向上传送，其他ONU接收不到，从而达到安全的目的。

第五章 基于以太网的宽带无源光网络 教学内容 5.2 EPON的基本原理 5.3 EPON应用模式分类 5.4 EPON的技术优势 第五章 基于以太网的宽带无源光网络 教学内容 5.1 EPON和APON的主要区别 5.2 EPON的基本原理 5.3 EPON应用模式分类 5.4 EPON的技术优势 5.5 EPON的传输原理 5.6 EPON光路波长分配 5.7 EPON的层次结构 5.8 EPON的点对点仿真 5.9 EPON的多点控制协议及动态带宽分配 5.10 EPON的运行维护管理 5.11 EPON的业务承载 5.12 EPON的生存性分析

第五章 基于以太网的宽带无源光网络 技术描述 北美传统电信运营商从2004年开始应用基于ATM的无源光网络为用户提供“Triple 第五章 基于以太网的宽带无源光网络 技术描述 北美传统电信运营商从2004年开始应用基于ATM的无源光网络为用户提供“Triple Play”务 （意指同时提供话音、数据和视频三重业务），已达到百万用户的规模。但 我国ATM城域网的规模比较小，且ATM技术本身由于技术完美性的高昂代价，APON 大规模应用的前景在当时就显得并不乐观。对于应用的发展来说，未来的通信网应当是 一个具有高带宽的、可支持各种基于IP技术业务的、以包交换为基础的综合网络平台。 宽带接入网在这个平台上占有极其重要的位置，而且也必须是对基于IP业务优化设计的。 在局域网中IP协议都运行在以太网上（95％以上的LAN接口是以太网的），即IP包直接 封装在以太网帧中，从而是以太网协议成为与IP配合最好的协议之一。由于以太网在局 域网的大规模应用，其设备成本远低于ATM设备成本。还有，相当多的技术维护人员 对以太网技术也比较熟悉，这也是以太网技术应用于接入网、城域网领域的有利条件。 因此，结合PON和以太网的EPON技术得到了业界的认可，以其容量大、寿命长、可升 级性好、低成本、高可靠性等优势得以大力的发展。

5.1 EPON和APON的主要区别 APON的最高速率为622Mbps，二层采用的是ATM封装和传送技术，因此存在带宽不 足、技术复杂、价格高、承载IP业务效率低等问题，未能取得市场上的成功。 EPON是几种最佳的技术和网络结构的结合。EPON采用点到多点结构，无源光纤传输 方式，在以太网上提供多种业务。目前，IP/Ethernet应用占到整个局域网通信的95%以 上，EPON由于使用上述经济而高效的结构，从而成为连接接入网最终用户的一种最有效 的通信方法。10Gbps以太主干和城域环的出现也将使EPON成为未来全光网中最佳的最后 一公里的解决方案。 在一个EPON系统中，不需任何复杂的协议，光信号就能准确地传送到最终用户，来 自最终用户的数据也能被集中传送到中心网络上。在物理层，EPON使用1000BASE的以太 PHY（PHY指物理层，OSI的最底层。 一般指与外部信号接口的芯片。 以太网PHY芯片） 同时在PON的传输机制上，通过新增加的MAC控制命令来控制和优化各光网络单元(ONU) 与光线路终端(OLT)之间突发性数据通信和实时的TDM通信，在协议的第二层，EPON采用 成熟的全双工以太技术，使用TDM，由于ONU在自己的时隙内发送数据包，因此没有碰撞 ，不需CDMA/CD，从而可以充分利用带宽。另外，EPON通过在MAC层中实现802.1p来提供 与APON/GPON类似的QoS。

5.2 EPON的基本原理 与其它PON技术一样，EPON技术采用点到多点的用户网络拓扑结构，利用光纤实现数 据、语音和视频的全业务接入的目的。 EPON的系统的基本结构一般情况下是由OLT、ONU、POS组成。OLT放在中心机房，ONU 放在用户设备端附近或与其合为一体。POS（Passive Optical Splitter）是无源光纤分 支器，是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发下行数据，并集中上行数据。 EPON中使用单芯光纤，在一根芯上转送上下行两个波（上行波长：1310nm，下行波长： 1490nm，另外还可以在这个芯上下行叠加1550nm的波长，来传递模拟电视信号）。 在EPON中OLT既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，它提供面向无源 光纤网络的光纤接口（PON接口）。根据以太网向城域和广域发展的趋势，OLT上将提供 多个1Gbps和10Gbps的以太接口，可以支持WDM传输。OLT还支持ATM（前面已经通过APON 了解到，）、FR以及OC3／12／48／192等速率的SONET的连接。如果需要支持传统的TDM 话音，普通电话线（POTS）和其他类型的TDM通信（T1／E1）可以被复用连接到出接口， OLT除了提供网络集中和接入的功能外，还可以针对用户的QoS和SLA（服务水平协商）的 不同要求进行带宽分配（后面将介绍）、网络安全和管理配置。OLT根据需要可以配置多 块OLC（Optical Line Card），OLC与多个ONU通过POS（无源分光器）连接，POS是一个 简单设备，它不需要电源，可以置于相对宽松的环境中，一般一个POS的分光比为8、16、 32、64，并可以多级连接，一个PON OLT端口下最多可以连接的ONU数量与设备密切相关 联，一般是固定的。在EPON中系统，OLT到ONU间的距离最大可达20km。

5.3 EPON应用模式分类 根据ONU在所处位置的不同，EPON的应用模式又可分为FTTC（光纤到路边）、FTTB （光纤到大楼）、光纤到办公室(FTTO)和光纤到家(FTTH)等多种类型。 在FTTC结构中，ONU放置在路边或电线杆的分线盒边，从ONU到各个用户之间采用双 绞线铜缆；传送宽带图像业务，则采用同轴电缆。FTTC的主要特点之一是到用户家里面 部分仍可采用现有的铜缆设施，可以推迟入户的光纤投资。从目前来看，FTTC在提供2 Mbps以下窄带业务时是OAN（称光纤接入网）中最现实、最经济的方案，但如需提供窄 带与宽带的综合业务,则这一结构不甚理想。 在FTTB结构中，ONU被直接放到楼内， 光纤到大楼后可以采用ADSL、Cable、LAN， 即FTTB+ADSL、FTTB+Cable和FTTB+LAN等方式接入用户家中。FTTB与FTTC相比，光纤化 程度进一步提高，因而更适用于高密度以及需提供窄带和宽带综合业务的用户区。 FTTO和FTTH结构均在路边设置无源分光器，并将ONU移至用户的办公室或家中，是真 正全透明的光纤网络，它们不受任何传输制式、带宽、波长和传输技术的约束，是光纤 接入网络发展的理想模式和长远目标。 5.4 EPON的技术优势

●相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。EPON结构在传输途中不需电源， 没有电子部件，因此容易铺设，基本不用维护，长期运营成本和管理成本的节省很大； EPON系统对局端资源占用很少，模块化程度高，系统初期投入低，扩展容易，投资回报 率高；EPON系统是面向未来的技术，大多数EPON系统都是一个多业务平台，对于向全IP 网络过渡是一个很好的选择。 ●提供非常高的带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gbps的带宽，并且随着 以太技术的发展可以升级到10Gbps。服务范围大，EPON作为一种点到多点网络，可以利 用局端单个光模块及光纤资源，服务大量终端用户。 ●带宽分配灵活，服务有保证。对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。EPON可 以通过DBA(动态带宽算法)、DiffServ、PQ/WFQ、WRED等来实现对每个用户进行带宽分 配，并保证每个用户的QoS。 5.5 EPON的传输原理 EPON与APON最大的区别是EPON根据IEEE802.3协议，包长可变至1518字节传送数据 据，而APON根据ATM协议，按照固定长度53个字节包来传送数据，其中48个字节负荷， 5个字节开销。这种差别意味着APON运载IP协议的数据效率低且困难。用APON传送IP业 务，数据包被分成每48个字节一组，然后在每一组前附加上5个字节开销。这个过程耗 时且复杂，也给OLT和ONU增加了额外的成本。

●EPON上下行传输 EPON同APON、GPON一样也是下行传输采用时分复用， 上行传输采用TDMA。 但是在传输媒质层上，EPON采用千兆以太网协议作为传输协议，数据链路层上也是采 用以太网协议。下行方向上的传输与通常的光千兆以太网物理层传输一样，具体流程如 下： 下行方向： 首先OLT发出的是以太网帧经过8B/10B编码的连续比特流；速率为1.25Gbps；到 达光分路器被分路到各个支路光纤上，个支路光纤上仍然是OLT发给所以ONU的比特 流，但是信号光功率由于分路而产生衰减变小；ONU接收到OLT发给所有ONU的比特 流进行解码后，根据以太网帧前导码中的LLID（逻辑连接标识）取出本ONU的以太网 帧送上一层处理。 上行方向： OLT授权每个ONU的发送时刻和发送时间的长短，在OLT指定的发送时间里，ONU 也是发送符合光千兆以太网物理层要求的1.25Gbps速率的比特流，从而实现EPON系 统的上下行全双工传输。如图5.1所示。

IEEE802.3帧 IEEE802.3帧 （a）EPON的下行传输 （b）EPON的上行传输 图5.1 EPON的下行与上行传输

●EPON帧结构 下行帧结构：EPON下行传输帧由一个被分割成固定长度帧的连续信息流组成，其 传输速率为1.250Gbit／s，每帧携带多个可变长度的数据包(时隙)。含有同步标识符的 时钟信息位于每帧的开头，用于ONU与OLT的同步，每2ms发送一次，同步标识符占1 个字节。可变长度的数据包按照IEEE802.3组成，每个ONU分配一个数据包，每个数据 包由信头、可变长度净负荷和误码检测域组成。如图5.2所示。 2ms 2ms 1 N 2 1 1 3 3 同步标识符 同步标识符 同步标识符 净荷 信头 长度可变 图5.2 EPON下行帧结构

每个ONU有一个TDM控制器，它与OLT的定时信息一起，控制上行数据包的发 上行帧结构： 每个ONU有一个TDM控制器，它与OLT的定时信息一起，控制上行数据包的发 送时刻，以避免复合时相互间发生碰撞和冲突。时隙3(第三个ONU的时隙) 含有2个 可变长度的数据包和一些时隙开销。时隙开销包括保护字节、定时指示符和信号权 限指示符。当ONU没有数据发送时，它就用空闲字节填充它自己的时隙。 帧长2ms 1 2 3 ... N 1 2 3 ... N 1 2 3 ... N 3 3 第三个ONU的时隙 信头 净荷 误码检测域 长度可变 图5.3 EPON上行帧结构

下行: 用1510nm波长来携带下行数据、语音和数字视频业务； OLT ONU 5.6 EPON光路波长分配 ●EPON两波长结构（如图5.4） 下行: 用1510nm波长来携带下行数据、语音和数字视频业务； 上行: 用1310nm波长来携带上行用户语音信号和点播数字视频、下载数据的请求信号。使用1.25Gbit／s的双向PON，即使分光比为32，也可以传输20km。 ●EPON三波长结构（如图5.5） 下行1: 用1510nm波长携带下行数据、语音和数字视频业务； 下行2: 用1550nm波长携带下行CATV业务。 上行: 用1310nm波长携带上行用户语音信号和点播数字视频、下载数据的请求信号。 光分路器 1510nm光发射机 W D M W D M 1510nm光接收机 1310nm光接收机 1310nm光发射机 图5.4 EPON两波长结构示意 EDFA CATV CATV 1550nm光发射机 1550nm光接收机 OLT ONU 光分路器 1510nm光发射机 W D M W D M 1510nm光接收机 1310nm光接收机 1310nm光发射机 图5.5 EPON三波长结构示意

5.7 EPON的层次结构 EPON的层次结构如图5.6所示 图5.6 EPON的层次结构 无源光网络媒质 LAN CSMA/CD 层次 高层 LAN CSMA/CD 层次 高层 OSI 参考模型 层次 LLC—逻辑链路控制 OAM(可选) MPMC—多点MAC控制 MAC—媒质接入控制 LLC—逻辑链路控制 OAM(可选) MPMC—多点MAC控制 MAC—媒质接入控制 应用层 表示层 会话层 传送层 网络层 数据链路层 物理层 ONUs OLT 协调 协调 GMII GMII PCS PMA PMD PCS PMA PMD PHY PHY MDI MDI 无源光网络媒质 GMII-吉比特媒质无关接口 MDI -媒质相关接口 OAM -运行维护管理 OLT -光线路终端 ONU -光网络单元 PCS -物理编码子层 PHY -物理层 PMA -物理媒质附加子层 PMD -物理媒质相关子层 图5.6 EPON的层次结构

功能描述  LLC（逻辑链路控制）子层：负责提供使本地网络层实体与远端对等网络层实体之间 交换协议数据单元（PDUs）的服务； OAM层：是 IEEE 802 3ah工作组考虑以太网应用到公网，运营商对网络的运行、维 护和管理需求而增加的； MPMC（多点MAC控制）子层：提供对PON这样的点对多点拓扑的多点接入控制； MAC层:根据LLC层所提供的参数对LLC来的信息进行成帧（加 MAC层自己的帧头和 差错校验用的帧尾）；当 MAC层接收到下层传上来的MAC帧时，它要检测差错，如没 有差错则去掉帧头和帧尾并送住LLC层，如有差错则丢弃该帧； 协调子层（RS）：除在通常以太网中的 GMll 接口信号到 MAC信号之间映射外，在 EPON中更重要的是在这里要进行点对点仿真（Point to Point Emulation，P2PE)； GMll接口：目的是规范一个清晰的便于实施的划分MAC层和物理层的接口； 物理编码子层（PCS）负责对GMll来的数据字节进行8B／10B编码送往PMA子层、解 码PMA子层来的10B码送往GMll； PMA子层（物理媒质附加子层）：负责并串／串并转换； PMD物理媒质相关子层：负责串行比特流的传输，包括光电／电光转换，产生合适的 脉冲形状、功率，适当地均衡、判决接收信号等； MDI：是光连接器，把信号连接到光线路上。

EPON的物理拓扑结构为：下行点到多点，上行多点到点。这种拓扑结构与以太 网的拓扑结构不同。以太网要么是总线形的（半双工模式），要么是点到点的（全双工 模式）。因此要实现EPON就要实现逻辑上的统一。换句话说就是将点到多点或多点到 点在逻辑上实现点到点的传输。为了融合PON点对多点物理拓扑结构到以太网框架中以 满足实际应用的需求，需要把EPON仿真成点对点逻辑拓扑。 为此 IEEE 802.3ah提出 了 P2PE要求。 所谓 P2PE就是把物理拓扑结构上的点对多点“虚拟”成逻辑的点对点，如图 5.7所示。 ONU ONU OLT ONU ONU ONU ONU ONU OLT ONU ONU ONU 图5.7 P2PE的“虚拟”拓扑结构

EPON中通过逻辑链路标识（Logical Link Identification， LLID）来标识 ONU及连接模式，实际EPON设备中可以扩展到用LLID标识ONU的端口及连接模式。IEEE802.3ah为实现P2PE修改ONU到OLT之间的以太网前导码，其具体的修改方式是：将前导码中的第6、7字节修改为 LLID，其中一个比特来标识连接模式（广播／组播、单播），其余 15个比特标识ONU端口。这样就达到了使 EPON逻辑上的一一对应关系，或者说是逻辑上实现了 ONU与OLT之间的点对点结构的目的。P2PE的具体实现位置是RS层，也就是在其层次结构中的协调子层来完成。 5.9 EPON的多点控制协议及动态带宽分配 第三章中我们已经探讨过关于PON网络中动态带宽分配（DBA）的基本概念和 相关原则， 实际上在业界 MAC层争论的焦点在于 DBA 的算法及802．3ah标准中 是否需要确定统一的 DBA 算法， 由于直接关系到上行信道的利用率和数据时延，DBA技术是MAC层技术的关键。 我们已经通过第三章了解到带宽分配分为静态和动态两种，静态带宽由打开的窗口尺寸决定，动态带宽则根据ONU的需要，由OLT分配。由于TDMA方式的最大缺点在于其带宽利用率较低，所以通过采用DBA可以提高上行带宽的利用率，在带宽相同的情况下可以承载更多的终端用户，从而降低用户成本。另外，DBA所具有的灵活性为进行服务水平协商（SLA）提供了很好的实现途径。

目前应用较普遍的方案是基于轮询的带宽分配方案，即：ONU实时地向OLT汇报当前 的业务需求（Request）（如：各类业务在ONU的缓存量级）， OLT根据优先级和时延控 制要求分配（Grant）给ONU一个或多个时隙， 各个ONU在分配的时隙中按业务优先级算 法发送数据帧。由此可见，由于OLT分配带宽的对象是ONU的各类业务而非终端用户，对 于QoS这样一个基于端到端的服务，必须有高层协议介入才能保障。 为了更好地使我们理解EPON这种点到多点拓扑结构网络的的动态带宽分配，我们这 里将要引入一个新的概念，称之为多点控制协议（MPCP）。 前面我们通过PON的相关介绍已经很清楚地了解到每个PON系统包含一个位于树枝根 部的OLT和位于各个树枝末端／树叶的多个ONU这样的点对多点结构，在上行方向某一时 间内只允许一个ONU传输数据。位于OLT的点对多点协议就是用于控制不同ONU的数据传 输时间以保证各ONU的数据不冲突。不同ONU的发送数据带宽需求报告将有助于优化PON 系统的带宽分配和PON带宽的统计复用。远端设备（ONU）将自动发现并用一个逻辑链路 标识（LLID）绑定ONU,同时动态地绑定一个到OLT的MAC连接，完成这个新发现ONU(用户) 的注册。这个多点控制的实现是在EPON层次结构的多点MAC控制子层来实现。 多点MAC控制采用IEEE 802.3以太网MAC控制子层的机制。IEEE802.3以太网MAC控制 子层有着丰富的实时控制和操作MAC子层的管理功能。多点MAC控制子层用以支持因EPON 的点对多点结构而需实现的新功能，多点控制协议（MPCP）是多点控制子层的重要组成 部分。

5.9.1 多点控制协议（MPCP） ●MPCP概念提出：由于EPON系统是通过一条共享光纤将多个DTE连接起来，其拓扑结 构为不对称的基于无源分光器的树形分支结构。所以多点控制协议是EPON所特有的为支 持点对多点结构而提出的，通过它对ONU进行测距、注册，使ONU自动加入EPON系统中； 通过MPCP完成多个ONU接入OLT的控制；MPCP提供了动态带宽分配的机制；在MPCP基础之 上， 应用动态带宽分配算法实现多个ONU／用户数据的统计复用， 更好地承载数据业 务，更有效地利用PON网络的资源。MPCP就是使这种拓扑结构适用于以太网的一种控制 机制。 ●MPCP涉及的内容：MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配，ONU的自动发现和加 入，向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。因为MPCP多点控制协议位于MAC控制子层。 所以它向MAC控制子层的操作提供实时的控制和处理。 ●MPCP的工作原理： 采用 TDMA 方式在共享媒质上某段时间只允许一个 MAC客户（ONU）发送以太网帧 （可以是数据帧也可以是用于运行维护管理的控制帧），OLT处于主地位控制ONU发送时 间，ONU处于从地位在OLT的授权下才能发送帧。即授权处理。 新设备（新ONU）被发现注册后进入PON网络，进而被允许发送帧。即授权发现。

为了更好地有效利用PON网络带宽，通过反馈机制ONU实施上报、向OLT反馈其带宽 需求，即报告处理。 多点MAC控制子层产生MAC控制帧，用以完成上述“授权处理、发现处理和报告处理。 这些MAC控制帧比数据帧具有更高的优先处理级别。这些MAC控制帧主要有： 授权MAC控制帧：是OLT发给ONU的MAC控制帧，其协议数据字段指示出授权ONU发 送数据的时间通道为多少，也就是告诉ONU数据发送起始和结束时刻。 报告MAC控制帧：是由ONU发向OLT，向OLT报告该ONU的带宽请求。带宽请求通常 是以ONU缓存区的侍发送数据字节数的形式报告的。 注册请求MAC控制帧：用于OLT发现新ONU、新ONU注册过程，由新ONU发向OLT，请 求OLT允许新ONU加入到EPON系统中。 注册MAC控制帧：是 OLT在收到未注册的 ONU发来的注册请求帧后发送给该ONU的 MAC控制帧，主要包括时间标签、分配给该ONU的LLID等信息。 注册确认MAC控制帧：是未注册的ONU在收到OLT发送给它的注册MAC控制帧后发送 给OLT以确认收到时间标签，ONU的LLID等信息的确认帧。 5.9.2 ONU的自动发现 在EPON系统中，最初也是至关重要的一步就是要解决ONU的注册问题，而且为了实

现PON系统良好的可扩展性和操作维护方便，在系统开通运行后随业务发展需要增加新 ONU或故障修复后的ONU要重新加入到系统都希望这些ONU能够自动地加入而不影响正常 工作的ONU。因此ONU的自动发现加入对EPON系统的应用非常重要的。 IEEE802.3ah对 ONU的自动发现做出了相关规定，下面我们将依据这些原则性规定，结合实际应用上的 需求，对ONU的自动发现的工作过程、发现时间等关键参数确定以及多个ONU同时加入而 引起冲突的避兔等关键问题的处理予以阐述。 ●自动发现的基本要求 系统自动完成对新的ONU的发现和注册，不应需要人工干预。 新ONU的加入应不影响运行中的ONU。 应能够在短时间内（60s）完成新ONU的自动加入。 应能根据ONU距OLT最远距离优化自动加入相关参数，支持最远距离为30Km的ONU自 动发现加入。 ●自动发现过程描述 OLT周期地向系统各个ONU广播发送目的地址为广播LLID（全零）的注册授权帧，并 根据系统内距离最远的ONU确定授权大小。例如：距OLT最远的ONU的距离为10 km时，光 纤的环路传输时延为100微秒，因为实际要考虑留有一定的光收发器电路处理时间，故

授权时间可以定为150微秒，同理20km为250微秒；30km为350微秒。发送周期的大小的 确定要综合考虑完成自动发现加入的时间和发现过程对正常工作ONU、对EPON系统带宽 利用率的影响等因素。后面的分析表明，在60S内完成ONU的自动发现加入，同时不使 EPON系统带宽利用率下降，周期时间1S是可行的。注册授权帧的发送是否被激活由EPON 网管决定，当网管允许新的ONU加入时，向OLT发出使能信息，OLT收到后就可以周期地 发送注册授权帧。OLT发送注册后，等待ONU的应答，一旦发现有ONU应答则自动运行ONU 加入各步骤；如果没有应答，那么1s后重新发送注册授权。当OLT收到网管的停止加入 信息后，就停止发送注册授权帧。 新的ONU收到注册授权后，在授权分配时间内向OLT发送注册请求帧，并等待接收 OLT发送的注册帧。 如果ONU在发送注册请求帧一段时间后还没有收到OLT发出的注册 帧，则认为注册发生的冲突，自动延时一定时间（可通过系统配置，通常情况下是1到 8秒）后，等待OLT新的注册授权信息。 OLT接收到ONU发出的注册请求帧后，为该ONU分配 ONU ID，然后以广播LLID向该 ONU发送注册帧，目的的MAC地址指向该ONU。需要考虑的是当有多个ONU正好同时需要 加入系统时（实际应用中这种情况相对较少），此时虽然多个ONU同时发出注册请求， 但是OLT只是在同一个注册窗口开窗内并只收到唯一一个注册请求帧时才对此注册请求

帧进行处理。 在发送了注册帧后， OLT 给该ONU发送授权以使该ONU发送注册确认帧，并等待该 ONU发出的注册确认帧，该授权在OLT认为ONU注册失败前始终有效。如果OLT在发出注册 确认帧授权后一段时间里OLT没有收到该ONU发出的注册确认帧，那么OLT认为该ONU注册 失败。 新ONU收到注册帧后，用新分配的ONU ID覆盖原来的ONU ID，同时等待OLT的注册 确认帧授权以发送注册确认帧，通知 OLT新ONU ID刷新成功，并等待带宽授权。 如果 ONU在发送了注册确认帧后，100 ms内还没有收到 OLT发出的带宽授权，那么ONU认为自 己注册失败，ONU ID自动复位，重新等待注册授权。 OLT在发送注册确认帧授权后的一段时间内收到ONU的注册确认帧，那么 OLT 认为 该ONU刷新ONU ID完成，该ONU注册成功，否则认为ONU注册失败。 当EPON系统中有多个ONU等待加入时，就有可能引起注册冲突。各等待加入的ONU在 收到注册授权后，就在授权允许的时间内向OLT发送注册请求帧。但是，由于此时各ONU 没有进行测距，就不能有效地保证各注册请求帧之间的间隔，而可能发生帧的混叠，导 致FCS校验错误，产生冲突。为了避免这种冲突就要进行冲突检测和解决。

冲突的检测 当ONU在发出注册请求帧的一段时间内（比如100 ms可由系统配置）没有收到OLT发 给自己的注册帧时，此时ONU认为自己注册发生了冲突。 冲突的解决 一般可以通过下面两种方法解决注册冲突： 第一种是随机延迟时间。这种方法是在发生注册冲突时，发生冲突的ONU仍然每次都 响应注册授权，但是在响应授权开窗时随机延迟一定的时间， 这个时间必须保证ONU随 机延迟后的应答仍然可以落在授权开窗之内。 采用这种方法可以缩短ONU加入系统的时 间，但是由于需要给冲突的ONU留出一定的富余， 使得他们在冲突并延时一段时间后仍 能落在注册授权开窗允许的范围内，所以需要增大注册授权开窗的长度，这样会降低系 统的带宽利用率，从而导致整个系统效率的降低。 第二种是随机跳过授权开窗。这种方法是在发生注册冲突时，发生冲突的ONU随机跳 过若干个注册授权后才重新响应。由于注册授权的周期是1s， 那么发生冲突的ONU可随 机延时1到8s，然后继续等待注册授权。采用随机跳过开窗的方法比随机延时时间要多花 一些时间，但是不需要增大注册窗口，不会影响系统的带宽利用率。

由于在实际情况中，多个ONU同时加入的机率很小，一般情况下不会有太多ONU同时 两种解决办法的比较 从加入时间上考虑： 由于在实际情况中，多个ONU同时加入的机率很小，一般情况下不会有太多ONU同时 等待加入系统，所以假设最多只有8个ONU同时加入系统。两种方法完成8个ONU注册所需 时间如表 5.1所示。 表5.1 8个ONU同时加入系统时两种冲突解决方法所用时间 开窗速率 0.1s 1s 采用随机延迟时间8个ONU注册完成所需时间 0.3s 3s 采用随机跳过方法8个ONU注册完成所需时间 2.6s 26s 从系统带宽利用率上考虑： ONU自动加入系统时，授权窗口的大小和开窗频率都会对系统的带宽利用率产生影响， 授权开窗频率越高， 那么带宽利用率就越低；而开窗时间越大，那么开窗所占用的带宽就越大，系统的带宽利用率就越低。 对于最大环回延迟时间的EPON系统，（所谓的最大环回延迟时间是信号从OLT发送到ONU后回到OLT所需的时间，称为RTD），开窗的大小由以下的因素决定：

注册请求帧信息：采用随机跳过解决办法时为一个注册请求帧，约占时间1µs；采用 随机延迟解决办法时为n个，约占时间为nµs. 系统的最大RTD。 注册请求帧信息：采用随机跳过解决办法时为一个注册请求帧，约占时间1µs；采用 随机延迟解决办法时为n个，约占时间为nµs. 保护带宽与激光器开启和关断时间：采用随机跳过方法约占时间为1µs；采用随机延 迟方法约占时间nµs。例如当最大RTD为200µs典型值时（分光比为1:16），两种情况的 开窗时间分别为：随机跳过法为200+2=202µs，随机延迟方法为200+2x16=232µs。相比 之下，显然二者相差很小。据此可计算出具体的注册开窗大小与开窗速率对系统带宽 利用率的影响可以通过表5.2加以比较： 表5.2 注册开窗大小与开窗速率对系统带宽利用率的影响 开窗速率 0.1s 1s 5s 10s 采用随机延迟时间方法 0.202% 0.0202% 0.00404% 0.00202% 采用随机跳过授权开窗方法 0.232% 0.0232% 0.00464% 0.00232% 通过上表可以得出下面的结论；对于1s以及1s以上的开窗速率，注册开窗对于系统带宽利用率的影响可以忽略，所以为了满足在60s内完成ONU自动加入的要求，可以取1s为注册开窗的频率，OLT每隔1s发送一次注册窗口。

从硬件实现复杂度上比较 由于在实际的方案中，每个开窗周期只允许一个ONU进行注册，这样的话，使用随 机跳过授权开窗（也可称为随机跳过周期）的方法就可以很好地避兔软硬件处理一个周 期多个授权的情况（如测距、发送控制、接收处理等）。同时，随机跳过周期的方法在 延时算法的逻辑控制上也比较简单，而且相对于随机延迟时间来说，效率会高一些。 由以上分析可以看出，虽然随机延迟避兔冲突方法的自动加入时间较随机跳过周期 避兔冲突方法短，但随机跳过周期避兔冲突方法的自动加入时间也短得足以满足要求； 并且对于系统带宽利用率的影响两种方法是相同的。所以，可以采用实现相对简单的随 机跳过周期方法来解决注册冲突的问题。 5.9.3 EPON系统的测距 前面章节我们曾经讲过PON系统的测距，它是为避兔时隙重叠／冲突必须测得ONU 到OLT的时延，也就相当于ONU到OLT的距离， 根据各ONU距OLT时延情况，安排各ONU上 行时隙以保证它们不重叠地复用起来。在EPON系统中也是一样，也同样需要测距来避免 这些，这里要说明的是，在EPON系统中的测距是和ONU自动加入过程同时完成的，下面 我们就介绍EPON中自动发现过程中如何完成测距的。

EPON系统采用的测距包括ONU初始开窗测距和运行中的OUN进行的动态测距。测距均 用时间标签法，利用OLT ONU时间标签同步，用ONU反馈一个时间标签的方法来测量环路 延迟，也就是测量OUN到OLT的距离。时间标签在多点控制协议MPCP MAC控制帧中传递。 具体情况如下： ●时间标签的同步方法：由于EPON上行为多点到点的拓扑结构，采用的是TDMA方式，每 个ONU发送时隙与OLT分配的时隙是一致的，这样才能防止各个ONU上行数据发生冲突， 因此ONU侧的时钟应当与OLT侧的时钟同步。具体的时间同步方法如图5.8所示。 调整间隔 T1 T2 Tn Tx ... OLT t Rx 时间标签 Tx T1 T2 ... Tn ONU t Rx 图5.8 时间标签系统同步

OLT和ONU两端有同频系统时钟，OLT以一定的时间间隔给每个ONU发送当前OLT的时 刷新ONU的当前自己的时间标签，这样保证ONU以落后于OLT一定的时间同OLT在时间上的 同步。这种同步是一种定期的计数器值的修正，保证两端计数器的偏差在一定的范围内。 图中，OLT在T1时刻发送时间标签，ONU收到后将自己的时钟计数器置成T1；OLT在 T2时刻发送出时间标签T2，ONU收到后将自己的时钟计数器置成T2，依伙类推。对于下 行传输来说，下行时间标签封装在 OLT发给 ONU的包含 ONU发送开始时间和结束时间的 Gate MAC控制帧中。 ●时间标签法测距原理：是基于EPON系统时间标签同步的。时间标签法测距即通过时间 标签的传递，OLT通过计算接收的时间标签值和本地时钟计数器时间标签的差值来实现 测距。为了更为明确其原理，我们这里要引入一个指标RTT，因为测距假定结果就是要 得到环回传输时延RTT，它代表被测ONU的环回传输时延，它和我们前面提到的RTD有所 区别，它仅代表传输时延，不包含处理过程。假定系统中，OLT希望在T1时刻收到ONU的 数据，那么它就要在OLT发出的Gate帧中给定ONU起始时间为T0=T1-RTT。由于RTT代表的 是双程，或者说是往返传输时延，因此会有人在此产生疑惑，认为T0应当等于T1-RTT/2。 这样的疑问主要产生的原因是没有考虑到在EPON系统中所有时间都是以OLT本地为主这

个关键理解。准确地说，在EPON系统中，ONU的时间是从下行的MPCP帧（Gate）中获取 的，ONU收到Gate帧后将本地的时标重置为OLT发送此Gate帧时的时标。所以尽管ONU发 送数据到达OLT需要的时间仅为RTT/2，但EPON系统中所有的时间都以OLT本地的为主， 对OLT来说，数据从ONU发送到OLT接收所需要的时间仍然是需要RTT的时间。 ●时间标签法测距过程： EPON为了能支持ONU的即插即用，需要一定的机制来允许OLT能自动检测到ONU在线， 并能自动测距，启动ONU到正常工作状态。  ONU的初始测距 新ONU在收到OLT发送的ONU注册授权帧时，因为该授权含有OLT同步时间标签，新ONU 以此时间标签值置位ONU时间标签计数器，完成首次时间标签同步。新ONU注册请求帧中 带有ONU的时间标签信息，保证了OLT在收到ONU的注册请求的同时，也完成了首次测距。 由于不知道ONU的实际距离，新的ONU注册测距开窗大小需要能覆盖0--20Km的范围，为 了减小开窗窗口，可以根据工程上预先已知的ONU实测的大致距离来实现开窗大小的准 确性。第三章我们已经讲过，ONU在收到OLT的向上发送信息的命令后（这里是指收到 注册授权帧），并不马上响应，而是延迟Td，或者说是插入一个时延Td时间再向上发送 信息，这样可以避免与其他ONU发生数据冲突。由此我们就可以确定测距开窗的大小为

插入延时Td与RTT之和。  ONU的动态测距 从第三章我们研究测距就知道，上面我们进行的测距仅仅是测距的一个静态过程， 运行中的 ONU由于系统的传输媒质和两端收发模块会随着温度等变化影响传输时延也发 生变化，时延的变化也会影响系统的ONU逻辑距离。所以对ONU进行初始测距后，还需要 对ONU进行动态测距。EPON系统中，参数的动态变化主要来自于光纤。 EPON系统OLT周期地发送Gate帧至ONU指明ONU的授权，ONU也周期地上报Report帧到 OLT指明其带宽请求。我们就可以利用Report帧上的时间标签进行动态时间标签法测距。 由此我们也可以得出这样测距间隔时间为Gate、Report帧。经分析计算，EPON系统毫秒 级的周期完全能满足EPON测距精度的要求。即一个周期时间内EPON系统参数动态变化对 传输时延的影响不超过测距精度值。 ●时间标签法测距的特点 前面我们研究了时间标签法是同步，原理以及测距过程，总结来说我们可以看到时 间标签法有以下一些特点：  OLT一个时间标签计数器能支持多个ONU的测距。因为前面所提到OLT是通过计算接收 的时间标签值和本地时钟计数器时间标签的差值来实现测距。RTT的得到只是在收到ONU 时间标签时刻测得的两个时间标签之差（前面讲到的T1-T0），因此不同的ONU的时间标 签先后到达OLT，OLT可以实时的同步测得不同ONU的RTT值。而传统的开窗测距需要为测

距ONU设立计数器，而且在某个ONU测距时，其他ONU不能进行测距，除非设立多个测距 计数器。  ONU向OLT发送时间标签消息帧的时间点灵活。换句话说，由于RTT仅与时间标签的差 值有关，只要知道T1和T0就可得出RTT，因此，ONU可以在其上行授权时间段内任何位置 发送时间标签消息帧，OLT都能正确侧得ONU的RTT值。它与具体发送时间点无关。而在 传统的开窗测距中，ONU在收到测距指令时，需要立即应答，响应测距。  实现简单。不需要专门设计计数器来计算RTT值，因为RTT仅是当前OLT的时间标签值 减去收到时间标签值的差值，因此设计实现简单容易。  ONU参与少。借助EPON MAC控制帧，ONU只要向OLT发送过来的MAC控制帧内插入时间 标签值，其他部分不需要参与测距控制与处理，测距测量和计算都由OLT来完成。 5.9.4 EPON的动态带宽分配 目前EPON动态带宽分配算法都是状态报告类型的。ONU通过上行报告帧来报告带宽请 求，OLT根据各ONU带宽请求情况和带宽分配策略决定各ONU的授权，通过下行授权帧／ Gate帧通知ONU。 EPON承载的业务信息大部分是数据业务，各种业务都封装成以太网帧 格式，而以太网帧是可变长帧（最长 1526个字节，最短 72个字节）， 如定义固定的 传输控制帧（TC）帧帧长则需要进行以太网帧拆分、重组或者当TC帧不能装下完整以太 网帧时浪费部分时隙，所以IEEE 802.3ah标准没有定义TC帧。目前EPON系统应用的动态

带宽分配算法主要有IPACT和IPAQG算法。 5.10 EPON的运行维护管理 ●管理目标及要求 EPON继承了以太网技术的与IP协议配合最好、适合承载数据业务、成本低廉、技术 成熟度高等优点，但以太网技术最初是针对局域网应用而设计的，因为它在局域网大规 模的成功应用而具有了成本低廉等优点，人们已经开始把它应用到接入网、城域网，甚 至考虑把它应用到广域网。以太网技术应用到接入网、城域网这样的公网环境，与原来 在局域网的应用有本质的不同。公网是由运营商运营的，运营商对公网运营的基本要求 是对设备、线路等构成的网络为了运行能够进行指配、管理和维护，而以太网技术作为 局域网应用的技术在运行、维护和管理方面因为局域网环境下没有这样的要求，没有相 应的OAM方面的考虑。因此增加以太网的OAM功能是以太网技术应用到接入网、城域网的 关键。相关标准化组织都在制定基于以太网的设备、网络的OAM要求规范。同时，IEEE 802.3ah任务组也认识到EPON作为接入网的网络必须增加运行、维护和管理功能，因此 就在EPON体系中规范了 OAM子层。虽然 IEEE 802.3ah对OAM子层的规范还不像国际电信 联盟 ITU对电信网（公网）设备、网络的标准那样对 OAM要求规范得那么严格、全面， 还作为可选要求，但对以太接入网（基于以太网技术的接入网，如EPON，点对点以太网） 的OAM做出了原则性规范，为以太网在接入网中应用奠定了良好基础。

下面我们就要针对IEEE802.3ah标准对EPON的OAM目标要求，OAM子层实现的位置，和 OAM帧PDU结构等加以描述。  EPON中OAM基本定位和功能： IEEE802.3ah标准定义了操作、维护和管理子层，即OAM子层。 这一子层用于可以提 供用于监测链路的操作．例如远端失效指示和远端环回控制。总的来说． OAM子层为网 络操作者／运营商提供了检测网络状况和迅速判断失效链路或者失效情况的能力。在提 供这些能力的过程中，传送的OAM信息是通过OAM协议数据单元（OAM PDUs）的慢协议帧 （Slow Protocol Frame）传递。 OAM PDUs包括控制和状态信息．用于对OAM使能的链 路进行监测、测试和故障检修。OAM PDUs在单个链路上传输．在两个对等的 OAM实体间 通信。它不包括站点管理、保护倒换、速率调整以及带宽分配和双工协商等功能。  IEEE802.3ah标准中规定的OAM目标要求： 远端故障指示能力：要求当本地DTE的接收路径不工作时，能够向对等实体发出指 示；对支持单向操作的用户接入物理层设备，在故障时可进行远端故障指示；对支持 OLT至ONU方向的单向操作的用户接入物理层设备，出现故障情况下，可由OLT发送远端 故障指示；除上述的物理层设备外，其他物理层设备不支持OAM远端故障指示单向操作。 但是有些设备在物理层提供远端故障指示机制。 远端环回能力：要求能够提供支持数据链路层帧环回模式的机制。

链路监测能力：要求能够提供支持包含诊断信息的事件指示机制和提供支持 IEEE 802.3ah相关的MIB(管理信息库)查询机制。 其他特性能力：要求OAM的运行和激活是可选择的；要求提供OAM功能的发现机制； 要求能为高层的管理应用提供扩展机制。 ●OAM兼容性的考虑 OAM应用 EPON OAM针对仿真为点对点的IEEE802.3链路。是否运行OAM功能是可选择的。同样 的,在一个系统中可以有部分端口运行可选的OAM子层功能．而其他端口不执行这个功能。 具有OAM能力的DTEs之间的交互操作 DTE能够判断远端DTE的OAM功能是否使能。OAM发现机制能够确认给定链路的设置参 数。例如所允许的最大OAM PDU大小和所支持的功能、OAM远端环回等。 Pause操作 MAC控制暂停/Pause（用于流量控制）禁止所有MA_DATA.request服务原语（该变量 保存对应于最近一个授权末尾的 local Time 计数器值。该变量的值由 GATE 的处理功 能设置）的发送．包括OAM PDUs。因为如果不禁止，这可能会延迟和阻止了关键事件的 信息发送．例如不可恢复的故障情况和链路失效信息的发送。

 与 MAC Control客户的接口  OAM远端环回时的帧丢失 MAC Control客户产生MA_CONTROL request服务原语（并且等待MA_CONTROL.indication 服务原语响应），MAC Control客户不根据 MAC子层的情况运行。它们直接通过MAC Control实体通信，就当 OAM子层不存在一样（透明传输）。  OAM远端环回时的帧丢失 运行OAM远端环回可能导致数据帧丢失。OAM远端环回是一种“侵入性”操作，阻止本地DTE 的MAC客户和远端DTE的MAC客户在链路上传递帧。具体关于OAM远端环回的操作将在后面 描述。 ●OAM功能描述  OAM子层提供对层间业务接口的支持如图5.9所示。（见下页）  OAM遵循相关操作原则 OAM子层对高级子层（上层）提供标准的IEEE802.3MAC服务接口。高级子层包括 MAC客户子层和链路整合子层。 OAM使用标准的IEEE 802.3 MAC服务接口与低级子层相连。低级子层包括MAC和MAC Control.

图5.9 OAM子层对层间业务接口的支持 OAM客户 MAC客户 OAM控制请求 OAM PDU请求 数据指示 数据请求 OAM控制指示 数据业务接口 OAM子层 802.3MAC 数据业务接口 数据请求 数据指示 MAC控制（可选） MAC层 物理层 图5.9 OAM子层对层间业务接口的支持

高级子层的帧在OAM子层被复用在OAM PDU中。 OAM子层对从下层收到的帧进行解析，然后将OAM PDU发给OAM客户。 OAM子层不需要了解下面物理层设备情况。 OAM PDU在单个链路上传输，在OAM客户实体或者OAM子层实体间传递，OAM客户不转 发OAM PDU（在此实现响应）。同时OAM可以通过使用特殊的OAM PDU实现扩展。  MAC数据服务接口 OAM的高级子层，例如MAC客户层，采用标准MAC数据服务接口与OAM子层通信。 同 样，OAM子层采用相同的标准服务接口与低级子层通信，低级子层如 MAC Control或 者MAC子层。  OAM客户的职责 OAM客户负责在链路上建立和管理OAM。OAM客户激活及配置OAM子层实体。在OAM发现 过程中，OAM客户监控接收到的由远端DTE发来的OAM PDU,根据本地和远端状态以及配置 准许OAM功能在链路上激活。 当OAM建立以后，OAM客户负责按规则对OAM PDU进行响应。OAM客户不响应非法的请 求，例如由被动DTE发来的 Variable Request和loopback Control OAM PDU。OAM客户 也可以管理OAM远端环回模式。这一点可以通过响应特殊的OAM PDU、改变本地设置参数 来实现。

OAM子层实体和OAM客户的通信使用下面的服务接口（原语） OAMPDU.request; OAMPDU.indication; OAM_CTL.request; OAM_CTL.indication； 这些原语属于强制性的要求。  OAM子层结构框图 OAM控制请求 OAM PDU请求 OAM控制指示 OAM PDU指示 数据请求 数据指示 数据业务接口 802.3MAC MAC客户帧 控制 OAM PDUs OAM指示 OAM指示 OAM请求 环回帧 复用器 解析器 OAM子层 数据业务接口 802.3MAC 数据 请求 数据 指示 图5.10 OAM子层内部结构框图

框图说明：通过图5.10可以看出，OAM子层可以分成三个部分实体功能；复用器、解 析器和控制器。 复用器负责将高层实体的帧、通过控制器来的OAM PDU和解析器转来的帧传递给下层实体。 解析器负责将MAC客户帧、OAM PDU和环回帧分别传递给相应的实体。 控制器负责提供OAM客户到OAM子层实体间的接口。它包括发现过程，用以检测远端DTE 的OAM功能的存在和能力，已经发送帧和设置接收规则。  工作模式 与OAM子层配合的DTE应支持主动或者被动模式。当OAM被激活时，具有主动和被动模 式能力的DTE需要选择主动或被动模式中的一种。具体的模式体现如下： 主动模式：设置为主动模式的DTE按IEEE 802.3ah所描述的 OAM发现过程进行初始化。 一旦发现过程结束，当远端OAM对等实体也处于主动模式时，主动DTE发送任何 OAM PDU. 如果远端 OAM实体工作在被动模式时，允许主动 DTE运行有限的几个方面。主动设备不 必响应被动对等端的OAM远端环回命令以及各种变量请求。 设置为被动状态的 DTE不发起OAM发现过程。被动 DTE响应由远端 DTE发起的发现进 程。这消除了“被动到被动”链路的可能性。被动DTE不发送各种变量请求和环回控制所使 用的OAM PDU。下面的表5.2列出了主动和被动模式DTE的能力。

表5.3 主动和被动模式DTE的能力 Capability Active DTE Passive DTE 启动OAM发现过程 Yes No 要求发送信息OAM PDUs Yes Yes 允许发送事件通知OAM PDUs Yes Yes 允许发送变量请求OAM PDUs Yes Yes  允许发送变量相应OAM PDUs Yes Yes 允许发送环回控制OAM PDUs Yes No 允许环回控制OAM PDUs  Yes Yes 允许发送组织专用OAM PDUs Yes Yes 注：要求对等DTE工作在主动模式

 OAM负责的事件和机制 OAM子层定义了一系列的链路工作事件，包括向远端DTE发送事件消息的通信机制。 具体事件的定义主要有一下几种： 紧急链路事件：包括检测到本地接收方向发生的故障；报告不可恢复的故障，如电 源故障；报告未指明的紧急事件发生。 链路事件：链路通过链路事件的TLV（Type Length Version）来表明具体是什么链 路，包括符号出错的周期事件和错误帧事件。 本地事件告知机制：为了实现与远端DTE通信，本地事件通常采用OAM_CTL.reques 服务原语和OAM子层进行通信。同时OAM客户发送包含链路事件TLV的事件通知OAM PDU给 远端DTE. OAM客户使用OAM PDU.request服务原语发送事件通知OAM PDU。OAM客户可以 在恶化的链路上发送复制的事件通知OAM PDU，这样可以提高远端DTE接收到的可能性。 远端事件告知机制：远端事件可以通过本地OAM客户检测到，检测机制主要体现为 两种情况。第一种是紧急链路事件由本地OAM子层通过接收到OAM PDU的Flags域而检测 到。OAM子层使用OAM PDU.indication服务原语将Flags域通知给OAM客户。第二种是除 此以外的其他所有的链路事件将由本地 OAM子层通过事件通知OAM PDU的接收而被检测 到， OAM子层把随后的OAM PDU传递给OAM客户。同时OAM客户丢弃掉为了加强可靠性， 发送端重复发送的OAM PDU的事件通知OAM PDU(是复制的)。

测试IEEE802.3ah规范了OAM远端环回功能。 为了有效地实现故障定位和链路性能 测试IEEE802.3ah规范了OAM远端环回功能。 OAM远端环回提供由远端进行控制的 数据链路层级的环回。OAM远端环回的目 的是故障定位和链路性能测试。这样当远 端DTE在OAM远端环回模式下时，可以查询 和比较本地和远端DTE的统计信息。在环 回帧向远端DTE发送之前、期间和之后都 可以进行查询。另外，可以在OAM子层内 进行环回帧的分析操作，以测定关于链路 状况的额外信息（例如，测定哪些帧是由 于链路错误而丢弃的）。图5.11表明了帧 在本地和远端DTE的各层间传输的路径。 OAM客户 MAC客户 MAC客户 OAM客户 OAM OAM MAC控制（可选） MAC控制（可选） MAC MAC RS RS GMII GMII PCS PCS PMA PMA PMD PMD 远端 DTE 本地 DTE MDI MDI 媒介 图5.11 OAM远端环回

环回过程描述如下：首先OAM远端要进行初始化。初始化远端时，本地OAM客户通过激活 OAM远端环回命令发送环回控制OAM PDU。远端OAM客户接收到环回控制OAM PDU后，进行 相应的环回控制，其次发送更新了状态信息的信息PAM PDU。本OAM客户接收到远端OAM 客户发来的已经更新了的状态信息的信息PAM PDU后，更新本地状态用以表明处于环回 状态。然后，确定环回期间帧的流向（见上图5.11），在OAM远端环回模式下，本地 和远端 DTE间以及链路上的帧的流向是： ①本地DTE发送由MAC客户和本地OAM客户或者OAM子层的OAM PDU所产生的帧。 ②在远端 OAM子层实体内，所有的非OAM PDU（包括其他协议帧）不改变帧的任何 域就直接进行环回。 远端DTE接收到的 OAM PDU传递给远端OAM客户。 ④为了保证重新启动时的发现，两个DTE都需要发送OAM PDU到对等DTE。两个DTE也 都允许发送其他OAM PDU到对等 DTE。 ⑤ OAM子层解析本地DTE接收到的帧。 OAM PDU发送到OAM客户，其他帧丢弃。 接下来，进行退出OAM远端环回模式的操作：完成上述任务后，当本地DTE想要结束 OAM远端环回测试时，本地OAM发送带有取消OAM远端环回命令的环回控制OAM PDU。远端 OAM客户接收到带有取消OAM远端环回命令的环回控制OAM PDU后，首先设置当地相应参数

拆除环回，然后发送更新过状态的信息OAM PDU给对端。本地OAM客户接收到该取消信息 后设置相应参数。至此，远端控制恢复到将接收到的非OAM PDU传递给MAC客户，本地控 制复用器恢复到发送所有源自本地MAC客户的帧。最后要考虑： 环回过程的差错预防：在OAM远端环回之前、期间和之后都有可能出现OAM PDU丢失 的可能，为此远端环回保持OAM发现过程的信息OAM PDU一直发送，这样的话，偶尔的信 息OAM PDU的丢失不会影响对OAM远端环回模式的操作。 OAM远端环回相应时间的要求：为了更加有效地运行OAM远端环回操作，有必要在接 收到环回控制帧后，给远端OAM客户的响应设置一个时间上限。同时，为了保证正确运 行，OAM客户在接收到带有OAM远端环回使能命令的环回控制OAM PDU后的1s内，必须： →设置当地相应参数（环回使能）。 →发送已经更新过状态的信息 OAM PDU。 同样为了保证正确运行，OAM客户在接收到带有OAM远端环回去使能命令的环回控制 OAM PDU后的1S内，必须： →设置当地相应参数（环回去使能）。 →发送己经更新过状态的信息 OAM PDU。

 单向OAM操作能力 当链路的一端不可操作时，OAM应当可以提供一种基于OAM PDU的机制来通知远端 DTE当前链路的一个方向不可用，因此能达到停止数据传输的目的。这种为了故障诊断 和通知而将链路运行在单向工作模式下的能力对系统维护很有用。 一些物理层设备支持单向OAM操作。当链路工作在单向OAM模式时，OAM子层应确保 每秒通过链路的只有携带链路故障、重要链路事件指示的信息OAM PDU而没有信息TLV. （Type Length Version）。（对于OAM各种帧的结构感兴趣的同学可以看教材，这里不 做重点说明。） 5.11 EPON的业务承载 5.11.1 E1 over EPON的实现方案 在无连接的分组网提供E1等电路业务可以通过TDM over IP的技术实现，在这方面已 经相对成熟，但是它有一个缺点就是实现复杂，封装效率也不高，不能最有效地保证 QoS质量。为了解决这些问题，国内相关技术研究提出了在 EPON二层传输 EI业务的方 法，即在遵循IEEE802.3ah标准的基础上把 EI电路业务数据封装成标准的以太网帧，与 承载数据业务的以太网帧统一在EPON中传输（也被称作E1在Ethernet上的电路仿真）。 采用时钟标签法或自适应时钟恢复方法完成E1信号的同步定时，再依靠区分业务优先级 的动态带宽分配算法来保障 E1电路业务QoS质量，就是E1 over EPON技术。

为了更好地说明其方案，我们可以结合图5.12和5.13加以说明。 ● E1 over EPON方案描述 为了更好地说明其方案，我们可以结合图5.12和5.13加以说明。 CPU模块 PON接口模块 C P U 模 块 交 换 模 块 以太网 接口 系统控制 功能 电路业务 同步 PON 接口 系统控制模块 电路 业务 同步 以太网 接口 电路业务 电路接口 适配 电路业务接入 以太网 接口模块 电路业务适配模块 电路接口模块 以太网 接口 千兆/百兆以太网 接口 图5.12 E1 over EPON的OLT侧结构 图5.13 E1 over EPON的ONU侧结构

E1 over EPON方案阐述如下：将单路 E1信号作为仿真的对象，一路仿真实体分为 述一个方向的电路仿真的实现过程： 输入的E1数据流在电路接口模块经过HDB3解码模块的处理，分离出时钟和数据，并 将数据写入发送缓存FIFO中。电路业务适配模块从EI数据的发送缓存FIFO中读取数据组 成标准的以太网帧，在系统控制模块的控制下从PON端口发出。对端从PON接口模块收到 含有E1数据的帧以后，系统控制模块将EI数据帧送至电路业务适配模块进行解封装、将 E1数据缓存接收到FIFO中并做平滑抖动的处理，在恢复出的时钟作用下，电路业务接口 模块从接收缓存FIFO中读出数据，经过HDB3编码模块的处理输出标准的E1信号。电路业 务同步模块通过时钟标签法或自适应时钟恢复法恢复出与源端同步的时钟。 应该指出的是两个图中仅说明了一种电路业务接入在 EPON中的实现方案。在设计 实现时，ONU侧电路接入部分的设计也可以完全与OLT侧的设计相同；OLT侧也可以采用 无交换模块的结构方式。

● E1 over EPON系统的时延  时延的产生 引起时延的主要因素包括： E1数据进入 EPON 系统作以太网帧封装映射的时延、 MPCP／DBA算法分给E1发送时刻的等待发送时延、在交换机排队时延、在线路传送时 延、在到达对端后系统做以太网帧到E1解封装的处理时延、时延抖动平滑处理引起的 时延。上、下行数据的时延影响因素基本一致。  时延抖动 假设封装周期取500µS。那么E1到以太网帧封装映射的时延为500µS。考虑EPON 光线路最长为20 km，线路上的传送最大时延为 100µS。 在系统中，抖动平滑处理的范围是0至500µS，引入的时延为500µS。数据在系统中 传输时，只要时延抖动总和在500µS范围内，就不会因为时延抖动产生误码，这些抖动 都会被抖动平滑处理模块平滑掉。引起时延抖动的主要因素包括获取发送时隙前的等待 时间（带宽分配算法分配的E1发送时刻的变化），E1适配到以太网帧后在交换机中的排 队处理时间。 在采用DBA方案的EPON系统中，DBA算法分给上行E1发送时刻会引起时延，降低这类 时延的办法是保证E1数据与其他数据相比具有最高的发送优先级，并且保证每个ONU都具 有足够的带宽来传送E1数据。对于下行E1数据帧，采用E1数据帧具有最高优先级后，带

宽分配算法对于E1数据帧发送时延没有明显影响。 为减少E1数据帧在交换芯片处的排队处理时间，可以采用对E1数据帧设定优先级 最高的办法。由于E1的数据量较小，不会由于它的最高优先级和带宽的完全保证而对 其他的业务造成影响。此部分的时间小于 200µS。 交换时延抖动与E1发送时刻抖动之和最大为450µS，在平滑抖动处理域内，平滑抖 动模块能够平滑掉E1数据传送过程中的抖动。  时延评价 DBA情况下具体时延因素及大小如下：封装映射成帧处理 500µS； 平滑时延抖动 500µS；光纤线路时延0～100µS；其他处理电路与传输时延（包括接收处理等）200µS。 所以， E1在EPON中的时延范围是12～ 13ms之间，能够满足不超过15ms的要求。 ● E1 over EPON系统的同步 在EPON系统中，实现电路业务的接入必须保证业务在接收和发送两端的同步，ONU 在E1时钟同步于OLT的E1时钟，在E1 over EPON系统中实现定时同步的方法主要有两种， 一种是时间标签法，另一种是自适应恢复时钟法，也可以叫做自适应法。  时间标签法：

侧的电路业务时钟同步。图5.14说明了时间标签法的原理。 基本原理：OLT侧利用业务时钟频率进行倍频后得到时间标签钟，然后利用这一时间标签时钟的驱动计数器生成时间标签，将时间标签发给ONU；在ONU侧也有它自己的本地时钟，本地时钟频率与标签时钟频率相同，本地时钟同时驱动一个计数器并生成 ONU侧的时间标签，当ONU接收到OLT侧的时间标签时，读取本地的时间标签与之相比较获得差值，同时将ONU计数器值置换为接收到的时间标签；将比较后的差值送给分频控制器，经过分频控制器调整分频数就可以获得业务时钟，从而实现ONU与OLT 侧的电路业务时钟同步。图5.14说明了时间标签法的原理。 OLT侧 fts 计数器 时间标签 发送控制 OLT时间标签 fs 读取发送 OLT时间标签 ONU侧 ONU时间标签 计数器 调整计数器值 fts2 分频控制 时间标签 差值计算 分频得到业务时钟 fs2 接收处理 图5.14 时间标签法原理

通过对时间标签法的说明我们知道，时间标签法是以 OLT的业务时间为基准时钟，  自适应法 通过对时间标签法的说明我们知道，时间标签法是以 OLT的业务时间为基准时钟， 定时向ONU发送时钟标签，所有的 ONU根据本地时钟生成时钟标签， 与收到的时钟标签 比较后调整本地时钟的分频比，以此达到与 OLT同步的目的。时钟标签法实现的关键是 标签帧发送的定时要准确，传输的时延抖动要小。而自适应法本身不需要在线路中传输 有关时钟信息，而是依靠数据量与理想值的偏差来跟踪时钟频率。它是一种只在 ONU侧 进行同步的处理方法。其原理如下：输入时钟按照自身的频率将数据写入缓存FIFO中， 恢复的时钟从 FIFO中读取数据，缓存 FIFO中数据量的变化趋势代表了两个时钟的相位 差，然后通过鉴相模块检测出这种差别，经环路滤波后去控制数控振荡器使其与源时钟 同步。最终实现了自适应的同步过程。这一过程可通过图5.15加以理解。 参考 时钟 接收数据 缓存 FIFO 鉴相 环路滤波器 Loop Filter 数控振荡器 DCO fc 恢复数据 恢复时钟 分频器 图5.15 自适应法原理

● E1 over EPON系统的QoS保证 电路业务的QOS保证主要通过带宽保证和其他一些辅助措施来实现。 带宽保证在本系统中是指在OLT侧所有的下行数据中，封装了电路业务的以太网帧 优先级最高，发送的优先级也最高；当发送单元检测到有电路数据以太网帧时，一旦发 送缓冲为空，就开始发送电路数据以太网帧。在ONU上行发送过程中，通过带宽分配机 制保证电路数据以太网帧每周期都有发送带宽。QoS保证的其他措施包括：电路数据以 太网帧在交换芯片处有最高优先级；采用缓存处理的办法，将时延抖动完全平滑掉。 5.12 EPON的生存性分析 EPON系统的应用首先体现在为企事业用户提供宽带综合接入，而往往企事业用户对 业务的可靠性要求很高；随着EPON系统成本的下降、高带宽要求的视频业务（视频会议、 IPTV或者高端网络游戏）的兴起，EPON也在居民用户领域得到了相对规模应用，为此居 民用户对业务可靠性的要求也越来越高。所以，有必要经济有效地为EPON网络提供电信 级保护倒换使网络生存性提高、使业务可靠性加强。但IEEE 802.3并没有涉及业务可靠 性和 EPON的保护倒换。下面阐述教材作者及其项目组在承担国家863计划EPON课题中针 对EPON服务于企事业用户多业务接入这样的应用场合所提出的专利技术——“弹性保护 倒换”。

MS-EPON 系统也称为多业务EPON系统，其结构如图5.16所示 ● 系统结构 MS-EPON 系统也称为多业务EPON系统，其结构如图5.16所示 OLT S/R S/R ONU ODN(0) 电路业务 电路业务 交换 / 适配 M U X ODN LT(0) ODN LT(1) ODN LT(0) ODN LT(1) M U X 交换 / 适配 ODN(1) 数据业务 数据业务 (a) 保护定界 ONU(0) 电路业务 电路业务 OLT ONU ONU ONU 数据业务 数据业务 ONU(1) (b) 图5.16 MS-EPON系统的弹性保护倒换结构

图（a）中粉色部分表示 MS-EPON系统弹性保护倒换机制所保护范围，包括光线路 终端（OLT）的光分配网络（ODN）接口、光网络单元（ONU）的ODN接口以及它们之间的 ODN。 图（b）是MS－EPON系统弹性保护倒换的配置结构。系统中部分需要保护的ONU和 OLT之间有两条链路，这些ONU具有保护功能；另一部分 ONU和OLT之间只有一条链路相 连，这些ONU不具有保护功能。这种配置方式考虑了各用户需求的不同，它允许一部分 对可靠性要求高的用户采用保护配置，而对可靠性要求低的用户来说，可以不用保护配 置，相对地成本能更低一些。这种配置方式相对灵活，提供的保护程度随不同的ONU而 不同，特别适合于不同要求的用户在同一个PON网络中共存的情况。 ● 实现层次 具有弹性保护倒换功能的MS-EPON系统完全兼容IEEE 802.3ah标准，IEEE802.3ah所 定义EPON系统体系结构我们前面已经讨论过（如前面的图5.6所示）。 从系统的结构层次上来看，MS-EPON系统的保护倒换可以从三个层次上来进行：一 是在MAC层根据MAC地址区分不同的通道进行保护；二是在调和子层（RS），进行P2P 仿真以后，根据各个ONU的LLID区分不同的链路进行保护；三是在物理层中提供线路

保护倒换。在确定弹性保护倒换所在的层次的时候，还需要根据 MS－EPON系统的特点 和弹性保护倒换所要求达到的目标来综合考虑。因为，首先，弹性保护倒换不是一种简 单的线路保护倒换，而是基于ONU的保护。由于无源光网络局端设备OLT与远端设备ONU 之间没有有源器件，网络中某个支路和ONU ODN接口或单独的ONU ODN接口（这是设备的 核心部分）发生故障，并不会影响网络所有 ONU。在这种故障情况下只有故障涉及到的 ONU需要进行倒换操作，其他的ONU不需要进行倒换。因此，弹性保护倒换应该能够区分 出不同的ONU链路，并且分别加以保护。其次，在MAC层进行保护的方式相对较为复杂， 不适合弹性保护倒换。MS-EPON系统中除了承载数据业务以外，还承载电路业务。电路 业务对业务中断时间的要求较为严格，一般说来应当小于50ms。选择较低的层次进行弹 性保护倒换操作．可以缩短保护倒换的时间。与另外两种方式相比．在 MAC层进行倒换 的方式处理较为复杂．并且故障检测以及倒换处理时延较大，不容易满足电路业务的保 护时间要求。因此MS-EPON系统的弹性保护倒换采用第二种方式． 即在调和子层进行保 护。具体可分出三个功能模块．分别为：业务分配功能模块．倒换管理功能模块和故障 检测功能模块。这三个模块的位置如图5.17所示。

我们提出的弹性保护倒换中的“弹性”是指MS-EPON系统根据系统资源状况“弹性 高层 业务分配 保护倒换 DBA DBA 倒换 管理 协调子层（P2PE） GMII 故障检测 故障检测 PHY PHY MDI MEDIUM MEDIUM 图5.17 弹性保护倒换在EPON层次结构中实现的位置及功能模块划分 ● 弹性保护倒换的业务分配 我们提出的弹性保护倒换中的“弹性”是指MS-EPON系统根据系统资源状况“弹性 地”使用系统资源，没有故障时两套PON链路均传送业务；出现故障时，受故障影响的ONU利用仍可以使用的传送容量来传输高 QoS和有保护要求的重要业务。这样的 弹性应用方式使MS-EPON具有很高的系统资源利用率。因此弹性保护倒换必须提供合适的业务分配机制将业务比较均匀地分配到系统的两个ODN上（没有故障时）或正常的ODN上（有故障时）。

弹性保护倒换MS-EPON系统采用的业务分配机制是：具有保护功能ONU的数据，在 OLT侧根据发送以太网帧目的MAC地址的奇偶性分发，在ONU侧根据发送以太网帧源MAC 地址的奇偶性分发。由于MS-EPON系统处理的数据全部是以太网帧（电路业务也封装成 以太网帧），因此根据MAC地址分配业务的方式容易实现。由于ONU侧与企事业用户的 局域网相连，通常企事业用户局域网中包含较多的MAC地址，通过MAC地址的奇偶性可 以将局域网中的业务较为均匀地分为两部分。如何选择ODN来传输这两部分数据由倒换 管理功能模块决定。 ● 弹性保护倒换的倒换管理 倒换管理实现的功能，一是保护倒换方式，即为业务分配的两部分业务选择ODN传输： 在正常情况下，两部分业务分别在两个ODN中传输；故障时，将故障ODN上有保护要求的 业务倒换到正常的ODN上。二是动态带宽分配方式，在弹性保护倒换中的 DBA除了具有 IEEE802.3ah协议所定义的功能外，还具有更快地带宽调整速度，能够在保护倒换实现 以后，及时地将带宽分配调整到合适的状态。 倒换管理操作的控制部分由OLT集中进行。无源光网络中 ONU 的运行状态互相不影 响，故障时并不一定是所有的ONU都进行倒换，因此发起倒换的时候需要判断哪些 ONU

需要倒换，哪些不需要倒换。由于MS-EPON系统所有的ONU都与OLT直接相连，中间不经 过有源设备的复用，OLT和ONU之间可以直接传递控制信息，因此由OLT集中判断、控制 倒换的方式简单可行。同时，倒换后动态带宽分配的调整也需要OLT集中控制，所以MS- EPON系统中保护倒换动作的发起和控制，以及倒换时带宽的调整等内容都要在OLT侧集 中进行，OLT通过OAM帧指示ONU进行相应的动作。 为了实现保护倒换，首先涉及到的问题是识别故障ONU的数据，在MS-EPON系统中， 由于各个ONU中的LLID各不相同，因此在OLT侧通过识别LLID来识别不同的ONU。另外每 个ONU中为不同类型的业务分配了不同的LLID，因此还可以根据LLID区分一般数据业务 和电路业务后再进行分别处理，这样能够更好地满足各自在倒换时对带宽、业务中断 时间等的不同要求。最后要说明的是由于MS-EPON系统所有的ONU都与OLT直接相连，中 间不经过有源设备的复用，，在OLT侧可以直接检测各个ONU的数据，可以迅速地检测到 链路故障，所以弹性保护倒换的故障检测在MS-EPON系统中是在OLT侧集中进行。 5.12.1 MS-EPON 系统弹性保护倒换的特点 弹性保护倒换技术是根据MS－EPON系统的特点而设计的一种新型的保护倒换技术。 其特点可以从以下几个方面说明：

第一，弹性保护倒换方式带宽利用率高。采用弹性保护倒换方式的MS-EPON系统中 不需要预留保护带宽。故障发生后，系统会根据当前的系统资源状况，重新调整分配各 个ONU的带宽，从而避兔了由于预留保护带宽而带来的资源浪费，提高了系统资源利用 效率。在正常情况下，系统线路带宽资源利用率接近100％。而其他的保护倒换方式， 例如1+1和1：1的保护方式，则需要预留备用带宽，其带宽利用效率小于等于50％。 第二，由于将倒换操作在RS子层实现，弹性保护倒换MS－EPON系统具有短于50 ms 的保护倒换时间，能够满足电路业务要求。 第三，由于OLT集中检测故障并且决定倒换控制，简化了ONU的设计、降低了ONU成 本。MS－EPON系统是由一个OLT和众多ONU组成的网络，ONU成本的降低使整个MS－EPON 网络的成本明显降低。 第四，弹性保护倒换方式中保护倒换操作是针对ONU进行的，这与SDH自愈环上的保 护倒换不同。SDH自愈环所有节点都必须支持保护倒换，而弹性保护倒换方式中仅OLT和 有保护倒换需求的ONU支持保护就可以实现。 全面的考虑来讲，弹性保护倒换的目的就是在提高EPON系统生存性的同时希望更有 效的利用网络资源，因为它具有保护倒换时间短，系统资源利用率高和适应用户对保护 的不同要求等突出特点。

第六章 GPON 教学内容 6.2 GPON在接入网中的应用 6.3 GOPN系统的参考配置 6.4 GPON的QoS机制 6.5 GPON与EPON的比较

第六章 GPON 技术描述 GPON(Gigabit-Capable PON) 技术是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光 综合接入标准，具有高带宽，高效率，大覆盖范围，用户接口丰富等众多优点，被大多 数运营商视为实现接入网业务宽带化，综合化改造的理想技术。 GPON 最早由 FSAN组织 于2002年9月提出，ITU-T在此基础上于2003年3月完成了相关标准的制定，主要有2个标 准；ITU-T G.984.1 和G.984.2标准。后来2004年2月和6月完成了G.984.3的标准化。从 而最终形成了GPON的标准族。 GPON支持高速率和对称/非对称工作方式，同时还有很强的支持多业务和OAM的能力。 它能够支持当前已知的所有业务和讨论中的适用于商业和住宅用户的新业务。GPON标准 中已明确规定要求支持的业务类型包括：数据业务（Ethernet业务，包括IP业务和MPEG 视频流）、PSTN业务（POS、ISDN业务）、专用线（T1、E1、DS3、E3和ATM业务）和视频 业务（数字视频）。GPON中的多业务映射到ATM信元或GEM帧中进行传送，对各种业务类 型都能提供相应的QoS保证。运营商可以根据各自的市场潜力和特定的管制环境，成本有 效地提供所需要的特定业务，这些业务的提供是否成本有效还与运营商的现存电信基础 结构、用户的地理分布、商业和居民的混和情况有很大关系。

6.1 GPON概述 6.1.1 GPON的特点 ●高带宽。GPON 速率高达2 .5 Gbps, 能提供足够大的带宽以满足未来网络日益增长的 对高带宽的需求, 同时非对称特性更能适应宽带数据业务市场。 ●QoS 保证的全业务接入。GPON 能够同时承载ATM信元和/ 或GEM 帧, 有很好的提供服 务等级、支持QoS保证和全业务接入的能力。目前, ATM 承载话音、PDH、Ethernet 等 多业务的技术已经非常成熟; 使用GEM承载各种用户业务的技术也得到大家的一致认可, 已经开始广泛应用和发展。 ●很好地支持TDM 业务。TDM 业务映射到GEM 帧中, 由于GPON TC帧帧长为 125μs, 能 够直接支持TDM 业务。TDM 业务也可映射到ATM 信元中, 也能提供有QoS 保证的实时传 输。 ●简单、高效的适配封装。采用GEM对多业务流实现简单、高效的适配封装。在 APON中, 所有的多业务流( 话音、数据业务流) 都必需进行协议转化, 映射到ATM 信元中传输。 众所周知, 5字节的ATM头相对于48 字节的数据来说, 会带来超过10% 的带宽损失, 特 别对于长分组的数据包来说, 其打包过程复杂、效率非常低。而在EPON 中, 虽然直接 承载以太网帧, 实现过程简单, 但仅考虑8B/10B 的线路编码就已经有20%的带宽浪费。

加上对以太网帧的封装和开销, EPON 带宽利用率比GPON 低30%左右。同时, 在传输TDM 业务时, 需要将其通过协议转化映射到以太网帧中, 这就需要对此技术规定统一的标准。 GPON 的GEM 提供了一种灵活的帧结构封装, 支持定长和不定长帧的封装, 对多种业务 实现通用映射, 不需要进行协议转换, 实现过程简单, 开销小, 协议封装效率最高可达 94% , 实现了带宽资源的充分利用。 ●强大的OAM 能力。针对以太网系统在网路管理和性能监测的不足, GPON 从消费者需 求和运营商运行维护管理的角度, 提供了3种OAM 通道: 嵌入的OAM通道、PLOAM 和OMCI。 它们承担不同的OAM 任务, 形成C/M Plane( 控制/ 管理平面) , 平面中的不同信息对 各自的OAM功能进行管理。GPON 还继承了G .983 中规定的OAM相关要求, 具有丰富的业 务管理和电信级的网络监测能力。 ●技术相对复杂, 设备成本较高。GPON承载有QoS 保障的多业务和强大的OAM 能力等优 势很大程度上是以技术和设备的复杂性为代价换来的, 从而使得相关设备成本较高。但 随着GPON 技术的发展和大规模应用, GPON 设备的成本逐步得到相应地下降。

6.1.2 GPON系统结构 同所有PON 系统一样, GPON 由ONU、OLT 和无源光分配网组成。 OLT 为接入网提供网络侧与核心网之间的接口, 通过 ODN 与各 ONU 连接。 作为 PON 系统的核心功能设备, OLT 具有集中带宽分配、控制各 ONU、实时监控、 运行维护管理PON 系统的功能。ONU 为接入网提供用户侧的接口, 提供话音、 数据、视频等 多业务流与ODN 的接入, 受OLT 集中控制。系统支持的分支比为 1∶16/ 32/ 64, 随着光 收发模块的发展演进,支持的分支比将达到1∶128。在同 一根光纤上, GPON 可使用波分 复用(WDM)技术实现信号的双向传输。根据实 际需要, 还可以在传统的树型拓扑的基础 上采用相应的PON保护结构来提高网 络的生存性。下面的图6.1具体说明了GPON系统的结构。

Passive Optical Splitter Passive Optical Splitter 核心网 CPN 用户驻地网 Gigabit-Capable PON ONU Passive Optical Splitter 无源分光器 Optical Line Terminal 光线路终端 ONU OLT 视频服务 PSTN 分支比最大可为1:128 Internet Passive Optical Splitter 无源分光器 ONU CATV Optical Network Unit 光网络单元 图6.1 GPON系统结构图

6.2 GPON在接入网中的应用 ●光纤到楼FTTB（Fiber To The Budding）：ONU设在办公楼或居民住宅楼内的某 个公共地方；用户到ONU之间（引入线）用UTP5类线（或更高等级线）连接；采用点 到多点结构，一个ONU为多个用户提供接入；通常采用FTTB+Ethernet技术。如图6.2 所示。 图6.2 FTTB结构示意图 FTTB服务对象不同，提供的业务也有所区别,FTTB是存在两种情况： 一种是为MDU（Multi-dwelling Units）用户服务，另一种是为商用用户服务。GPON应支持的业务如下：  FTTB for MDU时支持的业务有：非对称宽带业务（如数字广括业务、VOD、IP TV、文件下载等）； 对称宽带业务（如 Content Broadcast、E-mail、文件交互、远程教育、远程诊断、在线游戏等）；POTS和ISDN业务。

 FTTB for Business时支持的业务有：对称宽带业务(如Group Software、Content Broadcast、E-mail、文件交互等)；POTS 和ISDN业务；专用线(GPON 必须能以不同 速率灵活地提供专用线业务) ●光纤到路边FTTC（Fiber To The Curb/Cab）：ONU设在交接箱处；用户到ONU之间 （引入线）仍用双绞铜线连接或同轴缆；通常为点到点和点到多点结构一个ONU可为一 个或多个用户提供接入；是一种介质混合结构；通常采用FTTC+xDSL技术或FTTC+Cable Modem技术；典型用户数在128个以下，经济用户数正逐渐降低至8～32个乃至4个左右。 如图6.3所示。 图6.3 FTTC结构示意图

支持非对称宽带业务(如数字广播业务、VOD、IPTV、文件下载、在线游戏等)；对称宽带业务(如Content Broadcast、E-mail、文件交互、远程教育、远程诊断等)；POTS 和ISDN业务；xDSL 延伸业务。 ●光纤到家/办公室FTTH/O(Fiber To The Home/Office)：ONU直接放在用户家里；中心局到用户之间全部为光连接和光传输；接入网无任何有源设备，是一个真正的透明网络；是一种真正意义上的宽带接入技术；是用户接入网的长远目标 如图6.4所示。 图6.4 FTTH结构示意图 FTTH支持非对称宽带业务(如数字广播业务、VOD、IP TV、文件下载等)；对称宽带业务( 如Content Broadcast、E-mail、文件交互、远程教育、远程诊断、在线游戏等) ；POTS 和ISDN业务

GPON系统的基本参考配置是研究GPON系统的基础内容，如图6.5所示。图中WDM为波 6.3 GOPN系统的参考配置 GPON系统的基本参考配置是研究GPON系统的基础内容，如图6.5所示。图中WDM为波 分复用器，如果没有采用波分复用这个模块就没有。NE代表使用与OLT、ONU不同波长的 网元（如1550nm波长的CATV设备）。 Q 接入网系统管理功能 UNI R/S S/R SNI ODN Service node 业务节点功能 ONU/ONT OLT AF a参考点 WDM WDM V参考点 T参考点 分光器 A B NE NE 图6.5 GPON系统的参考配置

1.24416 Gbit/s up, 2.48832 Gbit/s down（目前的主流支持速率） ONU - Optical Network Unit 光网络单元 ONT - Optical Network Terminal 光网络终端 ODN - Optical Distribution Network 光分配网络 OLT - Optical Line Terminal 光线路终端 NE - Network Element 网络单元 SNI - Service Node Interface 业务节点 UNI - User Network Interface 用户网络接口 WDM - Wavelength Division Multiplex Module 波分复用模块 6.3.1 GPON网络基本性能参数 GPON提供以下几种异步传输速率： 0.15552 Gbit/s up, 1.24416 Gbit/s down 0.62208 Gbit/s up, 1.24416 Gbit/s down 1.24416 Gbit/s up, 1.24416 Gbit/s down 0.15552 Gbit/s up, 2.48832 Gbit/s down 0.62208 Gbit/s up, 2.48832 Gbit/s down 1.24416 Gbit/s up, 2.48832 Gbit/s down（目前的主流支持速率） 2.48832 Gbit/s up, 2.48832 Gbit/s down 支持最大逻辑距离为：60km（如图6.6所示） 支持最大物理距离为：20km 支持最大距离差为：20km 分光比为1：64，可升级为1：128 相关参数示意图如图6.6所示。

图6.6 GPON相关参数示意图

OLT网络侧经标准SNI接口连接到城域网。OLT ODN侧提供比特率、功率预算、 6.3.2 GPON系统OLT和ONU的功能 ● OLT OLT网络侧经标准SNI接口连接到城域网。OLT ODN侧提供比特率、功率预算、 抖动等特性符合GPON标准的光接口。OLT主要由业务接口功能、交叉连接功能和 PON核心模块（PON Core Shell）组成。如图6.7所示。 PON核心模块 交叉连接模块 业务模块 ODN 接口 功能 PON TC 功能 交叉 连接 功能 业务 适配 ODN 接口 功能 PON TC 功能 业务 适配 图6.7 GPON OLT的功能结构

 PON核心模块（PON Core Shell） 由ODN接口功能和PON TC功能两部分组成。ODN接口功能在G 9842中规范， PON TC功能在 G 984 3中规范。其中 PON TC功能包括：媒质接入控制， OAM、DBA、ONU管理和为交叉连接功能进行的PDU定界。每个PON的TC选择支持ATM、 GEM（GPON Encapsulation Method）和双重模式中的一种。  交叉连接模块（Cross Connect Shell） 交叉连接模块提供PON核心模块和业务模块的连接。OLT根据连接模式是GEM、 ATM或双重模式提供相应的交叉连接功能。  业务模块（Service Shell） 提供PON中业务节点接口和TC帧接口的转换。 ● ONU GPON ONU的主要功能模块与 OLT相似。由于 ONU只有一个 PON接口（在使 用保护倒换结构的情况下，最多可有2个接口），交叉连接功能可以省略掉，取而代之的是业务的复用和解复用功能。 ONU的典型配置如图 6.8所示，每个 PON的TC选择支持ATM、GEM和双重模式中的一种。从图中就可以看出，除了复用/解复用 功能以外的其他功能模块均和OLT一样，其实现的功能也一致。

PON核心模块 业务模块 适配 复用/ 解复用 适配 图6.8 GPON ONU的功能结构 业务 PON TC 功能 ODN PON TC 接口 功能 PON TC 功能 复用/ 解复用 ODN 接口 功能 PON TC 功能 业务 适配 图6.8 GPON ONU的功能结构

6.3.3 GPON层次模型 GPON技术特征主要体现在GPON的传输汇聚层GPON协议参考模型 如图6.9所示，其中传输汇聚层又分为 PON成帧子层和适配子层。 GTC的成帧子层完成GTC帧的封装、终结所要求的ODN传输功能，PON 的特定功能（如测距、带宽分配等）也在PON的成帧子层终结，在 适配子层看不到。GTC的适配子层提供PDU与高层实体的接口。ATM 和GEM信息在各自的适配子层完成业务数据单元（SDU）与协议数 据单元PDU的转换。OMCI（ONT Management Control Interface） 适配子层高于ATM和GEM适配子层，它识别VPI／VCI和Port_ID，并 完成OMCI通道数据与高层实体的交换。

OMCI适配子层：识别VPI/VCI和Port_ID,提供该通道数据和高层实体的交换 传输媒质层 （本层应当能提供相关的OAM功能） OMCI适配子层：识别VPI/VCI和Port_ID,提供该通道数据和高层实体的交换 适配 子层 传 输 汇 聚 层 TC ATM适配子层: ATM SDU与PDU的转换 GEM适配子层: GEM SDU与PDU的转换 成帧 子层 测距 上行时隙分配 带宽分配 私密性和安全性 帧定位和突发同步 保护倒换 物理媒质层 （PM层） E/O适配 波分复用 光纤连接 图6.9 GPON系统层次模型

6.3.4 GPON协议栈 GPON使用GEM协议进行封装，其协议参考模型如图6.10所示。GPON由控制/管理平面(C/M平面)和用户平面(U平面组成)组成。 用户平面分为物理媒介相关子层(PMD),GPON传输汇聚子层(GTC)和高层;GTC子层又进一步细分为GTC成帧子层和GTC适配子层，高层的用户数据和控制/管理信息通过GTC适配子层进行封装。 控制/管理(C/M)平面 用户平面 高层 GTC适配子层 GTC子层 GTC成帧子层 物理媒介相关子层（PMD) 图6.10 GPON协议栈

为了更细致的描述，我们可以通过GTC协议栈来说明，如图6.11所示。 ATM客户 OMCI GEM客户 PLOAM GPON 传输 汇聚 层/ GTC OMCI适配 ATM TC适配 GEM TC适配 DBA控制 GTC成帧子层 GPON物理媒质相关子层/GPM 图6.11 GTC系统的协议栈

在GTC成帧子层，ATM块、GEM块、嵌入的OAM和PLOAM形成GTC帧。嵌入的OAM通道信息直 接嵌入GTC帧头，对GTC成帧子层进行控制，在该子层就被终结。PLOAM信息作为该子层 的客户业务处理。GTC成帧子层对所有的数据来说都是全局可见的，OLT GTC成帧子层与 所有的 ONU GTC成帧子层直接对等。 ATM SDU和GEM SDU在各自的适配子层转换为ATM PDU和GEM PDU。这些 PDU中包括 OMCI通道数据，这些数据在该子层被识别，与OMCI实体间相互转化。 从另一角度看，GTC由控制管理平面（C／M Plane）和用户平面或者称U平面（U Plane）组成，控制管理平面管理用户业务流量、安全性、业务OAM等，U平面则承载用 户业务。嵌入的OAM、PLOAM和OMCI被归为C／M平面；除去OMCI的ATM和GEM PDU被归为U 平面。 ● 控制管理平面协议栈（C/M Plane） GTC层的控制/管理平面包括三个部分:内嵌的OAM (Operations, Administration and Maintenance)块、PLOAM( Physical Layer OAM)和OMCI(ONU Management and Control Interface)，如图6.12所示。内嵌的OAM和PLOAM管理物理层和TC层，OMCI 提供对高层(与承载业务相关)的统一管理。

Multiplexing based on frame location PLOAM OMCI GPON传输汇聚层GTC OMCI适配 TC适配子层 VPI/VCI 过滤 Port_ID 过滤 ATM TC适配 GEM TC 适配 BW授权 密钥交换 DBZ GTC 成帧子层 Alloc_ID 过滤 Alloc_ID 过滤 嵌入OAM PLOAM partition ATM partition GEM partition Frame Head Multiplexing based on frame location 图6.12 C/M 平面协议栈

功能说明 内嵌的OAM通道功能包括:上行带宽授权、密钥切换指示和DBA信息报告。 由于 采用OAM信息直接映射到帧中的相应域，保证了控制信息的传送与处理的实时性。 PLOAM通道功包括:传送物理层和TC (传输汇聚)层中不通过 OAM信道传送的所 有信息，通过消息交互方式实现，因此是实时性低于嵌人OAM通道的低时延通道。 OMCI信道用来管理高层定义的业务，包括ONU的可实现的功能集、T-CONTs（传 输聚合体；是 G.983.4中规范的概念，它通过Alloc_ID来识别，是捆绑业务单元）业务 种类与数量、QoS参数协商等参数。是实现GPON网络集中业务管理的信令传输通道， 通过ATM的PV/PC或GEM封装，实时性最低，但处理层次高，并保证了开放性、可扩 展的特性。为了更好地理解后面要研究的内容，我们首先简单介绍一下T-CONT。 T-CONT (Transmission Container)：功能在于动态接收OLT下发的授权 ，用于管 理PON系统传输汇聚层的上行带宽分配，改善PON系统中的上行带宽。 T-CONT的带宽类型分为FB,AB,NAB,BE。 T-CONT的5种类型，Type1,Type2,Type3,Type4,Type5。 图6.13和表

图6.13 T-CONT 类型示意图

表6-1 T-CONT类型和带宽类型之间的关系

说明： 根据业务的优先级，系统对每个ONU设置SLA，对业务的带宽进行限制。 最大带宽和最小带宽是对每个ONU的带宽进行极限限制，保证带宽根据业务的 优先级不同而不同，一般语音业务的优先级最高，视频业务优先级次之，数据业务 的优先级最低。 OLT根据业务和SLA及ONU的实际情况进行带宽许可，优先级高的可以得到更高 的带宽，满足业务需求。 ● 用户平面协议栈（U Plane） GPON有两种传输模式: 一种是ATM模式另一种是GEM模式。下面我们要说明的图 6.14中清晰地解释了这两种传输模式在U平面中的传输过程。GPON在传输过程中可以 用ATM模式，也可以用 GEM模式，也可以共同使用两种模式，使用哪种模式在 GPON 初始化的时候进行选择。 Port_ID用来识别 GEM业务流， VPI用来识别 ATM业务流。 带宽分配和QoS保障都以每个T-CONT为单位授权控制，不同的业务类型不能映射到 同一个T-CONT，必须被映射到不同的T-CONT，有不同的Alloc_ID。

图6.14 U 平面协议栈 ATM客户 GEM客户 VPI/VCI 过滤 Port_ID 过滤 ATM TC适配 GEM TC 适配 GTC 成帧子层 Alloc_ID 过滤 Alloc_ID 过滤 PLOAM 分区 ATM 块 GEM partition 帧头 复用成帧 图6.14 U 平面协议栈

 两种传输模式下的实现过程 ATM传输模式 在下行方向，信元封装在ATM块中传输到ONU。ONU成帧子层对信元进行解压，然后 ATM的TC适配器根据信元内携带的VPI和VCI信息进行过滤，使符合要求的信元到达相应 的客户端。 在上行方向，ATM流通过一个或多个T-CONT进行传输，每一个T-CONT只和一个或多个 ATM或者GEM流相关，因此在复用时不会产生错误。当OLT端接收到相关的由Alloc-ID定 义的T-CONT以后，信元通过ATM TC适配器然后到达ATM客户端。 GEM传输模式 在下行方向，GEM帧是通过封装在GEM块中传输到ONU。ONU成帧子层对GEM帧进行解 压，然后GEM TC适配器根据GEM帧头中的Port-ID进行过滤，使含有正确Port-ID的GEM帧 到达GEM客户端。 在上行方向，GEM传输模式和ATM传输模式类似，这里就不再赘述。 虽然 GPON可以使用GEM和ATM两种传输模式，但是GEM是针对GPON制定的传输模式， 它可以实现多种数据的简单、高效的适配封装，将变长或者定长的数据分组进行统一的 适配处理，并提供端口复用功能，提供和ATM一样的面向连接的通信。

前面我们分别研究了GPON的特点、协议栈以及相关层次等内容，这些都是为实现 GPON网络传输而规定的相关规范等，下面我们将讨论GPON实际传输的内容及格式，就 是我们下面要阐述的GPON的帧结构。 6.3.5 GTC TC的帧结构 ●GTC TC下行帧结构如图6.15所示。 PCBd n Payload n PCBd n+1 Payload n+1 PCBd n+2 Tp-Frame=125µs “Pure”ATM cells Section TDM＆Data Fragments over GEM Section N×53 Byte 图6.15 GTC TC下行帧结构

首先说明，因帧长为125µS，因此，1.244GbpS和2.488GbpS系统的一帧分别有19 440 和 38 880字节，但两种速率情况下PCBd（Physical Control Block downstream ）的 长度都是相同的，依赖于每帧中分配结构的数目。下行物理控制块 PCBd包含了一些字 段，OLT以广播的方式发送PCBd，每个ONU都接收整个的PCBd，然后ONU按照其中包含的 相关信息进行动作。载荷(payload)部分，可以是ATM信元，也可以是GEM的多业务封装。 PCBd由多个域组成，如图6.16所示。 PCBd Payload n PSync 4Byte Ident 4Byte PLOAMd 13Byte BIP 1Byte Plend 4Byte Plend 4Byte Plend 4Byte Coverage of this BIP Coverage of this BIP 图6.16 GTC TC 下行流的物理控制模块（PCBd）

 PSync域：Physical synchronization ，物理层同步域．固定4字节，用于ONU与 OLT同步。  Ident域：4字节，超帧指示（用于指示更大的帧结构）。每帧的Ident计数值都 会比前一帧加一，当达到最大值后，下一帧置为零。即：值为0时指示一个超帧的开始。 Ident域的最高位第1比特用于指示下行流中是否使用了FEC，第2比特为保留比特，如 图 6.17所示。 图6.17 IDENT域 Ident Field 4Byte FEC Ind 1bit Reserved 1bit Super-frame Counter 30bit

 PLOAM域：Physics Layer OAM：含13字节，携带下行PLOAM信息。如图6.18所示。 其中 Message ID：用于指示消息类型。 ONU ID：用来标记特定的ONU，可从0到253。 OxFF用于广播。Message Data：用于传送GTC的PLOAM消息净荷。 CRC：是CRC-8校验序列。接收端发现CRC不正确时．将丢弃此消息。生成多项式如同 APON。 PLOAMd 13Byte ONU ID 1Byte Message ID 1Byte Message（Data） 10Byte CRC 1Byte

 BIP域：Bit interleaved parity ，比特间插奇偶校验，计算自从上一个BIP以来 的所有字节的bit-interleaved parity。接收者通过计算该bit-interleaved parity， 并进行比较，来测量该链路上的差错数量。  Plend域：Payload Length downstream，下行净荷长度域，指定下行 Bandwidth map和ATM块的长度12bit。同时用于说明US BW Map域的长度及载荷中ATM信元的数目， 为了防止出错，Plend出现两次，它包含三个域，如图6.19所示。 BLEN用于说明US BW Map域的长度 ALEN用于说明ATM信元的数目 CRC 用于提供校验 Plend Field 4Byte BLEN BW Map Length 12bit ALEN ATM Zone Length 12bit CRC 8bit 图6.19 PLEND域

 US BW Map域： 上行带宽域，8字节结构向量数组。数组中的每个实体代表了一个特定的T-CONT的带宽分配。 Map中实体的数量由Plend域指定。每个实体的格式如下图6.20所示。其中： Allocation ID：12bit，指明授权发送的ID标识，或者说是用来识别特定的传输聚合体T-CONT（Transmission Container）。一个Allocation ID对应于一个传输聚合实体，一个ONU可分配多个Allocation ID； Flags：12bit，分别指示所分配的不同标志。指明上行帧的开销，比特0置位指示特定的T-CONT发送PCBu （PCB upstream），比特1置位指示对应的ONU传输时应采取FEC（Forward Error Correction）措施，比特2置位指示对应的 ONU 发送 PLOAMu 信息，比特3 置位指示对应的ONU发送 PLSu（Power Levelling Sequence，功率测量序列）；

图6.20 GTC Bandwidth Map 分配结构

SSTOP：16bit．以字节为单位指示所分配的停止时间。或者说是指明发送中止的时隙位置；从0开始．指出此次分配的最后一个有效的数据字节。 SSTART：16bit，指明发送起始的时隙位置；以字节为单位指示所分配的开始时间。从0开始．不超过65536字节．足够满足2.488Gbps的上行速率要求。这里的开始时间是指有效的数据传输时间，不包括物理层的开销时间。 SSTOP：16bit．以字节为单位指示所分配的停止时间。或者说是指明发送中止的时隙位置；从0开始．指出此次分配的最后一个有效的数据字节。 CRC：提供整个US BW Map域的校验。 ●GPON上行帧结构如图6.21所示。 Upstream Frame PLOu PLOAMu PLSu DBRu X Paylod X DBRu Y Paylod Y PLOu DBRu Z Paylod Z ONT A ONT B 图6.21 GTC TC上行帧

在上行帧中（如上图6.21所示）。各种速率上行帧长都和下行帧长相同，为125µs。每帧包括一个或多个ONU的传输，由BW map域指示。在OLT给ONU的一个授权传输时间里，ONU能够传送1到4种类型的开销和用户数据。这4种开销类型分别是：物理层上行开销（PLOu），PLOAMu、上行功率电平序列（PLSu）和上行动态带宽报告（DBRu）。OLT通过BW map中的Flag域指示每个分配中是否传送PLOAMu，PLSu或DBRu信息。用户净荷数据紧跟着这些开销传输，直到Stop Time指针指示的位置才停止传输。下面对图中上行帧各部分进行说明。 PLOu：Physical Layer Overhead upstream，上行物理层开销，用于突发传输同步，包含前导码、定界符、BIP、PLOAMu指示及FEC指示，其长度由OLT在初始化ONU时设置，ONU在占据上行信道后首先发送PLOu单元，以使OLT能够快速同步并正确接受ONU的数据。 PLOAMu：PLOAM upstream，用于承载上行PLOAM信息，包含ONU ID、Message及CRC，长度为13字节。其结构域下行的PLOAMd相同。 PLSu：上行功率电平测量序列，长度为120字节，用于调整光功率。 DBRu：上行动态带宽报告。它包括与T-CONT实体密切相关的信息，由Flags域指定是否传送。

PLI(Payload Length Indicator)：指示的是净荷的字节长度。由于GEM块是 从前面研究的GPON的两个协议栈中我们知道，GEM块是GTC成帧子层的重要部分，GEM块包括任意数量的GEM帧，超过下行帧范围的GEM帧可以被分片（后面会探讨），同时GEM是GPON区别于APON和EPON的本质特征，下面我们将介绍GEM的帧结构如图6.22所示。 6.3.6 GEM块 ●GEM帧结构 图6.22 GEM帧结构 GEM 帧由5字节的帧头和 L字节的净荷组成。GEM 帧头包括 PLI(净荷长度指示),Port-ID(端口ID),PTI（净荷类型指示)、和13bit的HEC(头差错校验)五个部分组成。 PLI(Payload Length Indicator)：指示的是净荷的字节长度。由于GEM块是 连续传输的，所以PLI可以视作一个指针，用来指示并找到下一个GEM帧头。PLI由12bit组成，所以后面的净荷最大指示到 4095字节。如果数据超过这个上限，GEM将采用分片机制。 Port ID: 12bit的 Port-ID可以提供4096个不同的端口，用于支持多端口复 用，相当于APON中的VPI。 PLI 12bit Port ID 12bit PTI 3bit HEC 13bit Fragment payload L Bytes

PTI( Payload Type Indicator):用来指示净荷的类型。PTI最高位指示GEM 帧是否为OAM信息，次高位指示用户数据是否发生拥塞，最低位指示在分片机制中是否为帧的末尾,当为1的时候表示帧的末尾。 HEC（Head Error Check）：有13bit，它提供GEM帧头的检错和纠错功能。 ●GEM定界 GEM协议通过两种功能提供用户帧的定界。GPON的定界过程是通过GEM头部实现的。在有GEM数据帧传输的条件下，接收机确保找到第一个头部，通过PLI作为指针找到接下来的头部。换言之，接收机接收到帧就转入同步状态。如果头部出现不可纠正的错误，则定界过程将丢失与数据流的同步，接收机将尝试重新同步。状态机如图6.23所示。要说明的是，当没有GEM数据帧传送时，为了保证系统同步状态 GEM协议还定义了空闲帧，就是在没有用户帧发送的时候将GEM空闲帧填充空白时间。 搜索 状态 一个正确的HEC 一个不正确的HEC 一个不正确的HEC 预同步 状态 同步 状态 一个正确的HEC 图6.23 GEM定界状态机

●GEM分片机制 由于用户数据帧的长度是随机的，如果用户数据帧的长度超过GEM协议规定的净荷长度就要采用GEM的分片机制如图6.24所示。GEM的分片机制是把超过长度限制的用户数据帧分割成若干分割块，并且在每个块的前面都插人一个GEM帧头。如前所 述，PTI的最低有效位就是用来指示这个分割块是否为用户数据帧的最后一个分割块。值得注意的是，每一个GEM块都是连续的、不跨越帧界的传输。分片过程中要注意当前GTC帧净荷中的剩余时间，以便合理分片。当高优先级的用户传输结束后剩余4个字节或更少(GEM帧头有5个节)，就要用空闲帧进行填充，接收机将会识别出这些空闲帧，并丢弃。 Case1 Case2 Case3 User Frame User Frame User Frame GEM PTI: 001 Full Frame GEM PTI: 000 #1 GEM PTI: 001 #2 GEM PTI: 000 #1 GEM PTI: 000 #2 GEM PTI: 001 #3 图6.24 GEM分片机制

在GTC系统中使用分片机制有两个目的:一个是在每个分片前面都加上一个GEM帧头，另一个是对于一些时间比较敏感的信号，比如说语音信号，必须以高优先级进行传输，而分片能保证这一点。它把语音信号总是放在净荷区的前部发送,GTC帧的帧长是125us 延时比较小，从而能保证对于语音业务的QoS。 ●GEM功能位置 从帧结构的角度来讲，GEM和其他数据封装方式相类似，但是GEM是内嵌在PON中的，它独立于OLT端的SNI和ONU端的UNI，也就是说GEM在UNI的左边和SNI的右边无法识别，只被识别于GPON系统内，简单说也就是在ONU跟OLT的两个PON口之间才能被识别。如图6.25所示。 无相互作用 无相互作用 UNI ONU SNI OLT GEM 图6.25 内嵌在PON中的GEM

●GPON数据帧的封装 GPON数据封装主要体现在两种形式。 以太网封装到GEM; 如图6.26所示.

TDM到GEM的封装；如图6.27所示 图6.27 TDM到GEM的封装 从以上两种封装例子可以看出，GPON对多业务的支持是先天性的，优于 EPON。先将数据封装到GEM帧，然后再将GEM帧封装到GPON帧中。其中 GEM封装从GFP演化而来，只是在GFP帧上增加了Port_ID以及PTI字段而已。同时GEM 的封装大大提高了效率，高达90％以上。

GPON DBA主要过程仍延用G.983.4中的定义，但部分内容做了一定的调整，调整的内容如表6-1所示： 6.4 GPON的QoS机制。 ● GPON的上行调度机制DBA GPON DBA主要过程仍延用G.983.4中的定义，但部分内容做了一定的调整，调整的内容如表6-1所示： 表6-1 GPON与G.983.4对DBA定义比较 GPON G.983.4 T-CONT标识 Alloc-ID Grant-code 报告单位 ATM:Cell GEM:固定长度块（48字节） ATM：cell 报告机制 PLOu,DBRu,DBA payload MiniSlot 协商过程 GPON OMCI PLOAM (G.983.4) and OMCI (G.983.7)

同时在G.983.4中定义了五中类型的T-CONT：如表6-2所示 并且对特定的带宽类型进行了定义： 额外带宽（additional bandwidth）: Non-assured 和 Best Effort带宽 之和. 确定带宽（assured bandwidth）:如果 ONT的 T-CONT buffer中有数据发送，则总能得到有效的调度。如果T-CONT buffer中没有数据则其带宽将被其他T-CONT使用。 尽力而为带宽（best effort bandwidth）:如果没有高优先级的带宽使用，则尽力而为带宽将得到调度。

固定带宽（fixed bandwidth）: 预留的 或者循环申请的带宽，能够保证最低的传送延迟。就算没有数据发送，其带宽也会预留不被其他T-CONT使用。 保证带宽（guaranteed bandwidth）:是确定带宽和固定带宽的总和 。 剩余带宽（surplus bandwidth）: PON带宽去掉固定带宽或者确定带宽以及其他保留的带宽后的带宽。 OLT通过两种方式的DBA利用下行帧PCBd中的BW map来控制每个ONT上T-CONT的发送，从而达到带宽动态分配的目的。这两种方式在G.983.4中分别定义为NSR-DBA和SR-DBA，即非状态报告DBA和状态报告DBA。 ● GPON DBA的模式  NSR-DBA （Non Status Report）： 非状态报告DBA，通过在OLT侧检测每个T-CONT的拥塞状态来进行带宽分配。  SR-DBA（Status Report）： 状态报告DBA，T-CONT向OLT发送数据时汇报T-CONT buffer的当前状态，汇报的方式有三种：PLOu ,DBRu, DBA payload。OLT根据汇报调整带宽分配。

● GPON DBA两种模式下的实现 NSR-DBA： 非状态报告的DBA实现主要依靠OLT对接收的数据进行监控，实施对T-CONT的控制，主要步骤如下：  在OLT侧以固定的间隔获得接收到的cell或固定长度的块数目。  通过使用上一步得出的结构计算带宽利用率。使用带宽除以当前分配的带宽  通过带宽利用率和门限值进行比较，确定是否发生拥塞和拥塞程度。  如果发生拥塞，调整T-CONT的发送带宽 。 SR-DBA: 状态报告的DBA实现是OLT通过对ONU状态报告的处理，对带宽信息进行分析，从而对T-CONT发送带宽进行控制，达到带宽动态调整的目的。在G.984.3中定义了三中方式的汇报过程： PLOu： 在PLOu Iend域中简单的标识T-CONT的状态，但没有T-CONT的详细信息，只是通知OLT相关T-CONT的状态。 DBRu：提供特定的T-CONT的连续的业务更新状态。 DBA payload：在DBA payload汇报ONU部分或所有T-CONT的状态。 用于这三种状态中有一些是可选的操作，每个设备厂商ONU提供的支持不同，所以OLT如果采用SR-DBA的方式必须首先通过OMCI和ONU进行协商，确认采用报告的方式。 SR-DBA的主要流程如图6.28所示。

OLT根据上次计算的 图6.28 SR-DBA的流程 ONU OLT 结果在下行帧头中下发 BW Map。 ① ONU根据带宽分配信 Payload US BW Map Data Report PCBd Downstream Upstream OLT ONU ① ② ③ ④ OLT根据上次计算的 结果在下行帧头中下发 BW Map。 ONU根据带宽分配信 息在规定的时隙上发送 目前T-CONT中等待发送 的数据状态报告 。 OLT收到ONU的状态报 告后，经过DBA计算并更 新BW Map，在下一帧进行 下发。 ONU收到OLT下发的BW Map消息后，在指定的时 隙上发送数据。 ONU1 ONU2 ONU3 图6.28 SR-DBA的流程

GPON DBA实现过程总体可以通过图6.29加以描述 BW Map Time slot T-CONT 调度器 ONU OLT 控制平面 数据平面 图6.29 GPON DBA实现过程示意图 OLT内部DBA模块不断收集DBA报告信息，进行相关计算，并将计算结果以BW Map的形 式下发给各ONU。 各ONU根据BW Map信息在各自的时隙内发送上行突发数据，占用上行带宽。

6.5 GPON与EPON的比较 表6-3 GPON与EPON比较表 P2MP P2P GPON EPON 标准 ITU.T IEEE IEEE 802.3ah 速率 2.488G/1.244G 1.25G/1.25G 100M~1G 分光比 1:64~1:128 1:16~1:32 1：1 承载 ATM, Ethernet, TDM Ethernet,TDM Ethernet 带宽效率 92% 72% 80% QOS Very good， including Ethernet, TDM, ATM Good, only ethernet Good, dedicate bandwidth 光预算 Class A/B/C Px10/Px20 / 测距 EqD 逻辑等距 RTT DBA 标准格式 厂家自定义 TDM支持 TDM over Ethernet (PWE3, CESoEthernet)or native TDM) TDM over Ethernet (PWE3, CESoEthernet) ONT互通 OMCI 无 None OAM ITU-T G.984 (强) Ethernet OAM（弱，厂家扩展） OPEX 低OPEX 中OPEX

第七章 宽带无源光网络的应用 教学内容 7.1 PON与城域网的连接 7.2 PON的应用分析 7.3 PON与其他有线接入技术的比较

第七章 宽带无源光网络的应用 7.1 PON与城域网的连接 7.1.1 PON的上联网络 第七章 宽带无源光网络的应用 7.1 PON与城域网的连接 7.1.1 PON的上联网络 在考虑PON的应用时，不仅要分析接入用户的特征，还要关注 PON的上一级连接网络，也就是和城域网的连接。从城域网的角度来说，城域网解决方案主要有4大类。第 一类是以SDH为基础的多业务平台—MSTP。传统的SDH是TDM业务的理想传送模式，基于 SDH的多业务传送平台（MSTP）在一定程度上改进了SDH系统承载数据业务的性能，加上已建设成庞大的 SDH网络（巨大的资源）、运维人员己积累了丰富的 SDH网络的运维经 验，目前MSTP仍然是城域网的主流技术之一。第二类是基于以太网的第二层交换和IP路由器第三层选路的解决方案。以太网技术因其具有简便、快捷、透明、可扩展的优点广泛应用于企事业网络，并且向城域网乃至广域网不断扩展。另外，还有以 ATM为基础的多业务平台方案和以WDM为基础的多业务平台方案。 APON适合与ATM城域网 MSTP城域网衔接。但目前EPON和或GPON在我国应用的规模因其优势而逐步替代APON得到广泛利用。 IEEE 802 3ah所定义的 EPON很适合与基于以太网技术的城域网衔接；制造商通过 一些自有技术所生产的多业务EPON产品也可以承载TDM业务，也提供STM—n或n×E1上联 接口与传统SDH相联，承载多业务时可以与基于SDH的MSTP城域网相联。

与APON相比，GPON在提供多业务的情况下具有更多的优势。GPON可以和基于SDH的MSTP城域网、基于ATM的城域网、基于以太网的城域网相联，适用范围更广泛。GPON能支持当前已知的所有业务和讨论中的适用于商业及住宅用户的新业务。尽管有些业务的接口还未标准化，但随着业务的推广和GPON标准的进一步发展，GPON以及实现承载更多的终端业务。GPON的TC层定义了基于GEM和ATM的两种多路复用机制，因此可以灵活地实现高效承载业务能力。具体体现在GPON可以同时面向多种上联网络，其上联接口（网络侧）可以考虑一下几种情况： 若上联网络是以传送TDM业务为主的SDH,GPON的上联接口应当以STM-1/4/16为主。 若上联网络是以传送以太网业务为主的IP城域网，GPON的上联接口应当以1000M以太网接口为主。 若上联网络是传送多业务的MSTP，则GPON的上联接口应当包括上述所有接口。 鉴于MSTP目前在城域网中的广泛应用，这里我们将对GPON与MSTP的连接做一个专门的讨论。 7.1.2 GPON与MSTP城域网的连接 ●MSTP支持多种业务接口，主要包括：提供SDH、PDH等传统TDM业务的EI、E3、 DS3、STM-1／4／16接口；提供10M／100M／GE业务的以太网接口；还可提供ATM业务接口等。概括MSTP设备常见的业务接口如表7-1。

由于以太网业务应用的广泛性，因此我们更关心在GOPN中以太网业务传输过程。 表7-1 MSTP设备的业务接口 接口标准 接口 业务 IEEE802.3 10BASE-T Etherner IEEE802.3u 10BASE-TX、100BASE-FX Etherner 1000BASE-SX、1000BASE-LX IEEE802.3z Etherner ITU-T G.957 STM-1/4/16 E1、ATM ITU-T G.957 STM-64 E1、ATM YD/T877-1996 E1、E3、STM-1 E1、ATM ●以太网业务的端到端传送 由于以太网业务应用的广泛性，因此我们更关心在GOPN中以太网业务传输过程。 其基本过程表现为：在GPON中，以太网数据要被封装成为GEM帧进行传输，但是由于GEM是GPON特有的，非GPON系统无法识别，所以用户的以太网数据帧在经由GPON网络时所做的GEM封装必须在离开GPON网络时进行解封装，并以原始的以太网帧的格式交付上联的MSTP，反之亦然。

7.2 PON的应用分析 现有的接入方案由于某些方面的局限性，只能服务于有限范围内的用户、支持Internet接入这样带宽需求不太大的业务。业界多年来一直认为，PON是光纤接入的未来方向。PON不仅可以提供非常高的带宽，服务范围大，带宽分配灵活、服务有保证，而且总成本低（总成本包括初始设备、线路投资和运维成本）、维护简单、容易扩展、易于升级，可以节约光纤资源和维护费用。下面针对企事业／商业用户和居民用户两大类用户分析PON技术的应用方案。 ● 大客户/集团客户 这里所谓大用户是业务量较大的集团客户，包括具有层级结构的集团客户、大型企业／商务客户等，如银行、保险公司、政府机构等。他们的业务需求仍以租用专线为主，这是因为他们的业务以及管理不仅需要将所有的业务点构成一个专有的网络，而且对业务信息安全性要求很高，互联网的VPN技术很难满足他们的要求，一般都租用运营商的电路网络组成自己的专用网络，中层机构用户通常需求以专线为主，速率是以2M为主，如银行的分理处和储蓄所。因此客户端的设备一般需要有电路型的通道和接口，如EI、V35等。而业务信息中心所在机构的专线带宽可能是几十兆或155Mbps，如省行或总行级机构。 PON应用于光纤到大客户/集团用户的结构形式可以通过图7.1来加以说明。

图7.1 PON应用于光纤到大客户/集团用户

网络特点：这种组网模式中的ONU直接放置在用户处，主干光缆上的光分路器 放置在路边光交接箱或者楼层管道井中，从OLT到该光分路器之间的干线光缆 可以采用主干光缆环网路由器的环网保护，也可以采用同侧路由的1:1保护，从 光分路器到用户之间的引入光纤通过楼内的垂直布线，直接布放到用户驻地。OLT可以放在运营商的城域网局端机房，也可以放在楼群当地的设备间，其具体半径可以根据服务用户的规模和覆盖半径来灵活部署。 ● 中小企业用户 中小企业用户是运营商的重要客户群体。中小企业用户的带宽要求通常在几兆比特每秒。对于带宽的要求相对于大客户来讲稍低一些，可以采用光纤到大楼的方式实现接入，也就是我们前面学习过的FTTB方式。这种方式每栋大楼可以共用一个ONU，在楼内通过接入交换机和五类线将以太网延伸到每个企业用户的办公场所，在接入交换机上进行接入控制和带宽管理，ONU还可提供E1透明通道给交换机的远端模块或PBX，这样可以通过传统电话交换机给各个企业用户提供传统的话音业务，甚至可以直接在ONU上引出POTS接口，提供语音业务。这种应用方案如图7.2所示。为了说明PON的优势，图中对比地体现了两种方案形式，一种是基于PON的接入，另一种是基于MC的接入。

图7.2 PON应用于光纤到楼宇

网络特点：这种组网模式中的ONU放置在大楼的设备间，分路器放置在路边的光交接箱中，OLT一般放置在运营商的城域网机房，特别适合在用户规模和业务量较小时，通过共享光纤和带宽，使单个PON系统覆盖更多的用户，一方面降低了工程建设成本和运维费用，另一方面也可以提高带宽效率，缩短投资回报期和增加收益。 上面介绍的两种形式是以集体应用的方式体现不同条件下PON的应用结构。但是，在整个网络中，居民用户对于网络需求来说也是一个相当大的群体，因此有效地实现居民用户的接入也是运营商重点考虑的问题之一。从网络的发展过程来看，采用PON技术来实现居民用户的接入主要体现在以下几种接入形式。 ● 光纤到小区 在光接入网发展的初级阶段，居民宽带用户数量、用户密度以及业务量均较小。在这种情况下，为节省建设成本，避兔一次性投资过大、使短期内尽可能减少投资并获得收益，可考虑阶段性实施方案，即先充分挖掘接入网主干段的富余光缆资源，暂不大量投资铺设入户光缆，只实现光纤到小区，在小区内视用户分布情况布放一个或几个光节点放置ONU。在ONU和用户之间，可以根据运营商在用户接入段资源状况选择DSL、LAN或者WLAN的方式，实现用户接入。下面针对几种接入方式加以说明。 PON+WLAN： 这种方式特别适合没有接入段线路资源的接入需求.如图7.3所示。

图7.3 PON+WLAN在居民用户宽带接入中的应用

网络特点：这种组网模式中，OLT位于城域网局端机房，分路器放置在路边光交接箱中，ONU放置在小区居民楼的设备间，小区用户共享一个或多个ONU再通过布放WLAN的AP接入点覆盖小区宽带用户。在业务发展初期用户密度较小时，只需根据用户位置安装AP接入点，不必实现全覆盖。随着用户数量增加，再增加AP接入点数量、调整位置来最终覆盖整个小区。 这种方案的优点是初期工程量小，见效快。主要缺点是WLAN能覆盖的范围较ADSL小许多、用户终端需要安装WLAN接入网卡，每户投资较大。这种方案适合提供宽带接入，提供话音业务适合采用VoIP技术。 PON+xDSL: 这种方式一般适合已经拥有电话线资源的传统固网运营商，这种方案的优点是入户工程量小，部分投资与用户数量呈近似线性关系，可以申请一户安装一户，利于渐进投资。主要缺点是DSL技术的线路速率受线路质量影响较大，一般不能达到理论速率。当用户需要的带宽增加到一定程度，这种方案就将无法继续满足要求。而且用户规模还要受平均不到30％出线率的影响，当宽带用户增加到一定数量，或开展高带宽需求的视频业务时，只靠原有的铜缆线路，将无法满足用户需要，这时就不得不再铺设新电缆，可见这种电缆投资显然不符合接入网光纤的发展趋势，一般就会考虑重新选择接入方案。因此这种组网模式一般只适用于拥有双绞线资源的传统电信运营商开展的Internet接入业务．属于过渡方案。其组网示意如图7.4所示。

图7.4 PON+xDSL在居民用户多业务接入中的应用

网络特点：这种组网模式中，OLT位于城域网局端机房，分路器放置在路边光交接箱中，ONU放置在小区机房，小区用户也是共享一个或多个ONU通过下挂用户线接入服务器 DSLAM，利用己有的电话双绞线一同传输语音信号和宽带数据信号，用户处需要安装DSL-Modem和分离器splitt。，分别连接用户电脑和普通电话机。传统电话业务由用户处的交换机远端模块提供，ONU提供透明的E1传输通道，用于局端交换机和远端模块之间的连接。 PON+LAN: 这种方式一般适合用户密集的新建居民楼，利用以太网5类线直接入户。投资回报及盈利受用户规模的影响较大，对于零星的宽带接入用户场合将无法获得满意的收益。但是这种网络有一个突出性的优势，可以一次性实现10／100M入户，接入带宽较大，可以满足用户较宽的带宽需求。在用户规模较大时，这种方案的单用户成本可以与DSL技术相当。这种组网模式中，OLT位于城域网局端机房，分路器放置在路边光交接箱中，ONU放置居民楼机房或楼道，ONU提供高密度以太网接口或通过下挂以太网交换机，利用5类线连接用户终端，实现宽带接入。对于用户的语音业务，可以通过双绞线采用传统的方式来提供，也可以使用宽带数据通道，通过VoIP技术来实现。该方案的缺点主要是一次性投资相对较大，在初期用户数量无法达到盈利规模时，短期实现盈利比较困难。网络示意如图7.5所示。

图7.5 PON+LAN在居民用户宽带接入中的应用

●光纤到户 当光接入网发展到成熟期，居民宽带用户数量、用户密度以及业务量均较大，在这种情况下，可以直接实现光纤到家（FTTH）的方式来彻底解决接入网问题。 如图7.6所示所示。 图7.6 PON应用于FTTH

这种组网模式中， OLT位于城域网局端机房，或者小区机房，分路器位置下移，放置在小区接入光缆的楼内分线盒中，ONU直接放置在用户家中，每个用户独享一个ONU。 ONU可以向用户提供 10／100M普通以太网接口，传统电话的POTS口，还可以提供WLAN接口以方便用户家庭组网。 对于语音业务，一种方案是使用传统电话模式，ONU上提供POTS口，在OLT上集成V5协议接口，接入PSTN交换机。这种方案比较适合传统的固网运营商。第二种方案是采用VoIP技术，用户可以使用具有上网浏览等更强功能的IP电话，使用PON提供的数据通道，通过数据城域网上VoIP网关与传统PSTN网络互通。在有软交换或NGN部署的地方，OLT也可提供与软交换或NGN的接口，通过软交换／NGN提供话音业务。 7.3 PON与其他有线接入技术的比较 目前在宽带接入市场上主流的有线接入技术主要是ADSL、 FTTB＋ LAN和MC3种形式。下面从可用带宽、维护费用、升级性、建设成本（设备和工程）等方面将PON与这3种技术进行综合比较。 ●PON与ADSL 从带宽方面看；ADSL能满足目前中低端居民用户Internet接入的基本需求。但随着以视频业务为代表的宽带业务需求日益增长， ADSL技术越来越难以胜任10km以下的覆盖范围和下行几十兆比特每秒、上行几兆比特每秒的速率需求。

从维护费用方面来看；由于ADSL的带宽随着传输距离增长而急剧下降，所以其节点相对较多，维护工作量大，因而维护费用较高。而PON方式采用光纤入，不仅稳定性较ADSL高，故障率低，中间的无源光网络的维护工作量也远小于ADSL。 从升级性和发展前途看；由于ADSL存在速率低、出线率不高、距离短、线间干扰影响用户使用等固有缺陷，用户数量不能无限制发展，更不能很好地满足用户对速度稳定的要求，尤其是无法满足那些使用宽带业务频繁的APRU值较高的客户。而PON技术则可以通过增加PON线路卡，提高速率来实现平滑扩容，不断满足客户的新需求，具有良好的升级性。 从成本方面看；ADSL作为对己有铜线资源的持续使用的一种方式，初期投资确实比较低，但是由于需要不断进行后期维护，特别是当受出线率限制原有铜缆使用饱和之后，铺设新电缆的费用与建设PON网络相比较以及不具备优势。当用户带宽要求增加，必须缩短铜线长度时，DSLAM将不得不下移，这样一来，不仅占用了大量骨干网光纤资源，而且还不符合接入网少层级、少居所、大容量的发展趋势。 综上所述，PON成为ADSL的替代已经是必然。 ●PON与"FTTB+LAN" 从带宽方面看；"FTTB+LAN"能提供给用户的带宽取决于LAN上共享用户的多与少，通常情况下，"FTTB+LAN"很难使用户达到10Mbps这样的带宽，也难于满足高带宽的业务需求，并且在安全性方面"FTTB+LAN"也不如PON.

从维护费用方面来看，由于"FTTB+LAN"方式在远端存在有源设备（远端交换机）不仅需机房供电而且可靠性降低，维护量较大。而PON的局端OLT和用户端ONU是作为整个PON网络来统一管理，可以方便地在局端对整个网络状态进行统一采集和分析，这样就可以由网管中心进行统一管理和维护。而且PON作为电信级设备，在标准中制定了丰富的运行管理维护OAM方面的信息，运行维护管理能力与传统以太网设备相比有了质的飞跃。因此从长远来看，PON的维护费用方面较"FTTB+LAN"的模式要低很多。 从升级性方面来看，PON和"FTTB+LAN"的最大差异在于从局端到用户端的干线部分， PON基于点到多点的拓扑结构，而"FTTB＋ LAN”则是基于点到点的拓扑结构； "FTTB+LAN"消耗的干线光纤数量和局恻设备光端口的数量的差别将随网络规模的大而成倍数扩大。而PON技术则是由多个用户共享干线光纤和局端光口，可以比较从容地应对用户规模的快速增加。 从成本方面看，用户端设备PON的ONU和"FTTB+LAN"带管理功能的接入交换机二者的价格相当，但是从局端设备上来看，成本较低的EPON OLT也比“FTTB＋LAN”的局端汇聚交换机价格要高一些，因此在用户规模较小时，"FTTB+LAN"的方案比PON方案的设备成本低。在工程费用方面，二者相当。但是随着用户数量增加，经过分摊之后的OLT成本将和光口扩容之后的汇聚交换机成本相当。当用户数量增加到一定程度，PON的成本将比"FTTB+LAN"的方案要低。而用户的规模化发展是必然的。

综上所述，"FTTB+LAN"和PON技术相比，没有明显优势而且在管理能力和提供的业务方面还略逊一等，特别在用户规模上升到一定程度以后，在成本方面也处于劣势。 ●PON与MC MC作为简单的物理层传输设备，它是点对点的光以太网接入方案，PON是点对多点的光纤接入方案。同为光纤接入接入方式，从带宽上来看二者没有明显的区别。 从升级方面来看，随着用户数的增加，MC的扩容升级要同时增加干路光纤、局端和用户端光口；而对于PON来说，在多数情况下，只需要增加用户光口就行，因此PON占优势。 在成本方面，单个设备的比较PON的ONU与OLT相对较高，但是在网络综合建设成本角度来看，随着网络规模的扩大，PON网络将具有平均成本的巨大优势。 结束语 通过课程总共七章的学习，我们分别探讨了宽带接入技术、无源光网络基础知识以及与之相关的关键技术形式，如APON、EPON和GPON等，同时还基于相关的理论探究分析了无源光网络的基本应用形式。希望通过本课程的学习同学们能掌握和理解相关知识，在理论和实践中有所帮助。

谢谢